Частицы звука и тепла продемонстрировали магнитные свойства

Ученые из Университета штата Огайо обнаружили, как управлять теплом с помощью магнитных полей, доказывая этим, что у тепла и звука есть магнитные свойства. В ходе исследования было показано, что фононы, элементарные частицы, которые передают и тепло, и звук, обладают магнитными свойствами. Возможно, в будущем можно будет использовать сильное магнитное поле, чтобы регулировать и контролировать звуковые волны.

Тепло и звук — это по сути одна форма энергии, связанная с вибрациями атомов, поэтому регулируя одно, вы можете получить контроль над другим. Работа ученых была опубликована на прошлой неделе в Nature Materials. В ней ученые описали, как с помощью магнитного поля, по размерам сопоставимого со сканером МРТ, можно уменьшить количество тепла, проходящего по полупроводнику, на 12%. Этот полупроводник должен быть охлажденным до -268 градусов по Цельсию, чтобы движение атомов в проводящем материале замедлилось. При температуре, близкой к абсолютному нулю, движение фононов становится обнаружимым.

Под руководством ученого Хвангчу Чина, кусочек полупроводника из антимонида индия был изготовлен в форме камертона. Один зубец был 4 мм шириной, другой — 1 мм. Нагреватели крепились к концам обоих зубцов.

Низкие температуры эксперимента подразумевали важность размера полупроводникового образца, равно как и атомов, из которых он состоял. Больший образец мог передавать тепло быстрее, чем малый образец, поэтому больший зубец камертона мог передавать больше тепла, чем меньший.

Чин измерил изменение температуры на обоих зубцах камертона и отделил одно от другого поочередно, включая и отключая магнитное поле в 7 тесла, сродни тому, что используется в больницах. Когда магнитное поле отключалось, большой зубец камертона передавал больше тепла, как и ожидалось. С магнитным полем поток тепла замедлялся на 12%.

Ученые обнаружили, что магнитное поле приводило к тому, что некоторые фононы, проходящие через материал, начинали вибрировать и сталкиваться друг с другом. В большем зубце происходило больше столкновений, благодаря увеличенной площади, поэтому терялось больше фононов и передавалось меньше тепла.

Было обнаружено, что фононы должны обладать магнитными свойствами, а тепло и звук, следовательно, можно контролировать магнетически в субстанциях вроде стекла и пластика, если найти достаточно сильный магнит. В металлах этот эффект невозможен: электроны передают столько тепла, что вклад фононов будет практически невозможно обнаружить.