Зі збільшенням тиску теплопровідність арсеніду бору падає, і це змушує фізиків переосмислити науку про екстремальні умови
Базовий постулат шкільного курсу фізики каже, що зі збільшенням тиску теплопровідність – здатність матеріалу проводити тепло – також зростає, оскільки стиснені докупи атоми сильніше взаємодіють.
Більше ста років дослідження підтверджували це правило. Але тепер дослідники знайшли виняток: під сильним тиском теплопровідність арсеніду бору, нещодавно відкритого напівпровідникового матеріалу, зменшилася. Відкриття, описане в журналі Nature, кидає виклик усталеній теорії і потенційно перевертає з ніг на голову відомі моделі поведінки речовин в екстремальних умовах.
"Тепер, після цього першого відкриття, ми вважаємо, що не може бути єдиного матеріалу з такою аномальною поведінкою", – каже старший автор дослідження Юнцзе Ху, хімік та інженер-механік з Каліфорнійського університету. Якщо ж інші речовини проявлять таку ж властивість, "усталене розуміння теплопровідності може бути неправильним".
У попередніх дослідженнях Ху та інші вчені встановили, що арсенід бору має надзвичайно високу теплопровідність. Науковці також розрахували, що звичайні правила теплопровідності можуть за певних обставин до нього не застосовуватися.
Щоб перевірити ці прогнози, Ху та його колеги помістили крихітний кусочок арсеніду бору завтовшки менше 100 мікрон у щілину між двома алмазами. В цьому алмазному сендвічі вони застосували до арсеніду бору тиск в 32 ГПа – в сотні разів більший, ніж на дні океану. Дослідники використовували надшвидкісну оптику, спектроскопію та рентген, щоб із поширенням тепла по зразку зафіксувати, як теплопровідність арсеніду бору при інтенсивному тиску починає зменшуватися. Вони спостерігали, що зменшення відбувається через інтерференцію: накладання і взаємне погашення подібних типів теплових хвиль – явище, передбачене квантовою механікою.
Ху каже, що коли йому з колегами вдасться показати, що така поведінка поширюється на інші матеріали, то фізикам, можливо, доведеться переглянути усталені моделі для таких середовищ, як космічний простір або надра планет, зокрема Землі. Останнє може змінити прогнози щодо зміни клімату, оскільки температура поверхні залежить від того, що відбувається всередині планети.
Нове дослідження є "першим і найкращим з відомих мені експериментальних доказів того, що теплопровідність можна регулювати", – каже геофізик із Берклі Раймонд Джинлоз, який не брав участі в дослідженні. Він додає, що це відкриття "відкриває можливість" передових технологій, які заощаджують енергію і охолоджують електроніку, контролюючи теплопровідність.
Rachel Nuwer
Strange Material Breaks a Classic Rule of Physics
Scientific American, 01.04.2023