Journal Physical Review Lettersに掲載されたこの研究は、高温や圧力などの極端な条件にさらされた場合、絶縁体および半導体における熱輸送の挙動を理解する方法を提供します。
この研究では、次世代の熱電材料の設計に関する洞察も提供します。これは、熱エネルギーを電力に効率的に変換するために使用できます。
「ここで示したのは、絶縁体と半導体の熱輸送について考える新しい方法です」と、ジョージア工科大学の物理学部の助教授で研究の主著者であるジョシュア・クレッチマー博士は述べています。 「私たちの結果は、熱特性が改善された新しい材料につながり、より効率的なエネルギー変換への道を開く可能性があります。」
この研究の重要な発見の1つは、固体中の熱の輸送における「準粒子」の役割です。これらの準粒子は、粒子のように振る舞う結晶格子の励起ですが、それらは現実的ではなく、観察可能なオブジェクトです。
従来の材料では、熱輸送は、結晶格子内の原子の振動によってしばしば支配されます。これは、一連のスプリングと大衆と考えることができます。ただし、熱電装置で使用されるものなどの一部の材料では、熱輸送は電子や穴などの準粒子の動きによって支配されています。
研究者たちは、これらの準粒子と原子振動間の相互作用が、材料の熱輸送特性を決定する上で重要な役割を果たすことを発見しました。特に、相互作用が強い場合、熱輸送が減少することを発見しました。
「私たちの研究は、準粒子と振動間の相互作用が、固形物の熱輸送を理解する上で非常に重要であることを示しています」とクレッチマー博士は述べています。 「この相互作用を制御することにより、目的のアプリケーションに応じて、熱伝導率がはるかに高いまたは低い材料を設計する可能性があります。」
Kretchmer博士と彼のチームは現在、理論的な枠組みを新しい熱電材料の設計に適用し、トポロジー絶縁体や超伝導体などの他の材料の熱輸送特性を理解するために取り組んでいます。
