Átomos (en naranja) unidos por enlaces atómicos flexibles (los muelles). Un fonón (el flujo verde de la izquierda) impacta con el átomo central, y transmite calor mediante la vibración de los enlaces. Por otro lado, se induce un campo magnético (en la dirección indicada abajo a la derecha). El experimento demuestra que el campo magnético puede afectar al movimiento de los fonones, y reducir su efecto sobre el material. Imagen: Renee Ripley. Fuente: OSU.
Investigadores de la Universidad Estatal de Ohio (OSU, EE.UU.) han descubierto la forma de controlar el calor con un campo magnético.
En la edición de este pasado martes de la revista Nature Materials describen cómo un campo magnético más o menos del tamaño de una resonancia magnética médica reduce la cantidad de calor que fluye a través de un semiconductor en un 12 por ciento.
El estudio es el primero en demostrar que los fonones acústicos -las partículas elementales que transmiten calor y sonido a la vez- tienen propiedades magnéticas.
"Esto añade una nueva dimensión a nuestra comprensión de las ondas acústicas", dice Joseph Heremans, experto en Nanotecnología y profesor de ingeniería mecánica en la OSU, en la web de ésta. "Hemos demostrado que podemos dirigir el calor magnéticamente. Con un campo magnético lo suficientemente fuerte, deberíamos ser capaces de dirigir las ondas de sonido, también."
Puede resultar sorprendente que el calor y el sonido tengan algo que ver entre sí, y mucho más que puedan ser controlados por imanes, reconoce Heremans. Pero ambos son expresiones de la misma forma de energía, hablando en términos de mecánica cuántica. Así que cualquier fuerza que controle uno debe controlar a la otra.
"En esencia, el calor es la vibración de los átomos", explica. "El calor es conducido a través de materiales mediante vibraciones. Cuanto más caliente esté un material, más rápido vibrarán los átomos".
"El sonido es la vibración de los átomos, también", continúa. "Hablo a través de vibraciones, porque mis cuerdas vocales comprimen el aire y crean vibraciones que viajan hacia usted, y usted las recoge en sus oídos como sonido."
El nombre "fonones" suena muy parecido a "fotones": es porque los investigadores consideran que son primos. Los fotones son partículas de luz, y los fonones son partículas de calor y sonido. Pero los investigadores han estudiado los fotones intensamente durante cien años, desde que Einstein descubrió el efecto fotoeléctrico. Los fonones no han recibido tanta atención, por lo que no se sabe mucho acerca de ellos más allá de sus propiedades de calor y sonido.
"Creemos que estas propiedades generales están presentes en cualquier sólido", dice Hyungyu Jin, investigador postdoc de la OSU y autor principal del estudio.
En la edición de este pasado martes de la revista Nature Materials describen cómo un campo magnético más o menos del tamaño de una resonancia magnética médica reduce la cantidad de calor que fluye a través de un semiconductor en un 12 por ciento.
El estudio es el primero en demostrar que los fonones acústicos -las partículas elementales que transmiten calor y sonido a la vez- tienen propiedades magnéticas.
"Esto añade una nueva dimensión a nuestra comprensión de las ondas acústicas", dice Joseph Heremans, experto en Nanotecnología y profesor de ingeniería mecánica en la OSU, en la web de ésta. "Hemos demostrado que podemos dirigir el calor magnéticamente. Con un campo magnético lo suficientemente fuerte, deberíamos ser capaces de dirigir las ondas de sonido, también."
Puede resultar sorprendente que el calor y el sonido tengan algo que ver entre sí, y mucho más que puedan ser controlados por imanes, reconoce Heremans. Pero ambos son expresiones de la misma forma de energía, hablando en términos de mecánica cuántica. Así que cualquier fuerza que controle uno debe controlar a la otra.
"En esencia, el calor es la vibración de los átomos", explica. "El calor es conducido a través de materiales mediante vibraciones. Cuanto más caliente esté un material, más rápido vibrarán los átomos".
"El sonido es la vibración de los átomos, también", continúa. "Hablo a través de vibraciones, porque mis cuerdas vocales comprimen el aire y crean vibraciones que viajan hacia usted, y usted las recoge en sus oídos como sonido."
El nombre "fonones" suena muy parecido a "fotones": es porque los investigadores consideran que son primos. Los fotones son partículas de luz, y los fonones son partículas de calor y sonido. Pero los investigadores han estudiado los fotones intensamente durante cien años, desde que Einstein descubrió el efecto fotoeléctrico. Los fonones no han recibido tanta atención, por lo que no se sabe mucho acerca de ellos más allá de sus propiedades de calor y sonido.
"Creemos que estas propiedades generales están presentes en cualquier sólido", dice Hyungyu Jin, investigador postdoc de la OSU y autor principal del estudio.
Consecuencias
La implicación: En materiales como vidrio, piedra, plástico -materiales que no son convencionalmente magnéticos- el calor puede ser controlado magnéticamente, si se tiene un imán suficientemente poderoso. El efecto pasaría desapercibido en los metales, que transmiten tanto calor a través de los electrones que cualquier calor transportado por fonones es insignificante en comparación.
No habrá ninguna aplicación práctica de este descubrimiento a corto plazo: los imanes de 7 teslas como el utilizado en el estudio no existen fuera de los hospitales y laboratorios, y el semiconductor tuvo que enfriarse a -268 grados Celsius, muy cerca del cero absoluto, para hacer que los átomos del material se ralentizaran los suficiente para que los movimientos de los fonones fueran detectables.
Es por eso que el experimento fue tan difícil, dice Jin. Tomar una medida térmica a una temperatura tan baja era difícil. Su solución fue tomar una pieza del semiconductor antimoniuro de indio y darle la forma de horquilla vibratoria asimétrica. Un brazo de la horquilla tenía 4 mm de ancho y el otro 1 mm. Jin colocó calentadores en la base de los brazos.
El diseño funcionó debido a una peculiaridad del comportamiento del semiconductor a bajas temperaturas. Normalmente, la capacidad de un material para transferir calor dependería únicamente del tipo de átomos de los que está hecho. Pero a temperaturas muy bajas, como las utilizadas en este experimento, otro factor entra en juego: el tamaño de la muestra que se está probando.
En esas condiciones, una muestra más grande puede transferir calor más rápido que una muestra más pequeña del mismo material. Esto significa que el brazo mayor de la horquilla vibratoria podía transferir más calor que el brazo más pequeño.
Heremans explica por qué: "Imagine que la horquilla vibratoria es una pista y que los fonones que fluyen desde la base son corredores. Los corredores que toman el lado estrecho de la horquilla apenas tienen espacio suficiente para pasar a través de él, y siguen chocando con las paredes de la pista, lo que les frena. Los corredores que toman la pista más ancha pueden correr más rápido, debido a que tienen un montón de espacio.
"Todos ellos acaban pasando por el material, la pregunta es cómo de rápido", continúa. "Cuantas más colisiones sufren, más lento van."
En el experimento, Jin midió el cambio de temperatura en ambos brazos de la horquilla y restó uno del otro, ambos con y sin un campo magnético de 7 teslas activado.
En ausencia del campo magnético, el brazo más grande de la horquilla transfiere más calor que el brazo más pequeño, como los investigadores esperaban. Pero en presencia del campo magnético, el flujo de calor a través del brazo mayor se frenaba un 12 por ciento.
Explicación
Entonces, ¿qué había cambiado? Heremans dice que el campo magnético causaba que algunos de los fonones que pasaban a través del material vibraran no sincronizados para que chocaran uno con el otro, un efecto identificado y cuantificado a través de simulaciones por ordenador realizadas por investigadores del Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales de OSU.
En el brazo más grande, la libertad de movimiento actuó contra los fonones, que experimentaron más colisiones. Un 12 por ciento menos pasó a través del material indemne.
Los fonones reaccionaron al campo magnético, por lo que estas partículas deben de ser sensibles al magnetismo, concluyeron los investigadores. A continuación, se plantean probar si se pueden desviar ondas sonoras hacia los lados con campos magnéticos.
La implicación: En materiales como vidrio, piedra, plástico -materiales que no son convencionalmente magnéticos- el calor puede ser controlado magnéticamente, si se tiene un imán suficientemente poderoso. El efecto pasaría desapercibido en los metales, que transmiten tanto calor a través de los electrones que cualquier calor transportado por fonones es insignificante en comparación.
No habrá ninguna aplicación práctica de este descubrimiento a corto plazo: los imanes de 7 teslas como el utilizado en el estudio no existen fuera de los hospitales y laboratorios, y el semiconductor tuvo que enfriarse a -268 grados Celsius, muy cerca del cero absoluto, para hacer que los átomos del material se ralentizaran los suficiente para que los movimientos de los fonones fueran detectables.
Es por eso que el experimento fue tan difícil, dice Jin. Tomar una medida térmica a una temperatura tan baja era difícil. Su solución fue tomar una pieza del semiconductor antimoniuro de indio y darle la forma de horquilla vibratoria asimétrica. Un brazo de la horquilla tenía 4 mm de ancho y el otro 1 mm. Jin colocó calentadores en la base de los brazos.
El diseño funcionó debido a una peculiaridad del comportamiento del semiconductor a bajas temperaturas. Normalmente, la capacidad de un material para transferir calor dependería únicamente del tipo de átomos de los que está hecho. Pero a temperaturas muy bajas, como las utilizadas en este experimento, otro factor entra en juego: el tamaño de la muestra que se está probando.
En esas condiciones, una muestra más grande puede transferir calor más rápido que una muestra más pequeña del mismo material. Esto significa que el brazo mayor de la horquilla vibratoria podía transferir más calor que el brazo más pequeño.
Heremans explica por qué: "Imagine que la horquilla vibratoria es una pista y que los fonones que fluyen desde la base son corredores. Los corredores que toman el lado estrecho de la horquilla apenas tienen espacio suficiente para pasar a través de él, y siguen chocando con las paredes de la pista, lo que les frena. Los corredores que toman la pista más ancha pueden correr más rápido, debido a que tienen un montón de espacio.
"Todos ellos acaban pasando por el material, la pregunta es cómo de rápido", continúa. "Cuantas más colisiones sufren, más lento van."
En el experimento, Jin midió el cambio de temperatura en ambos brazos de la horquilla y restó uno del otro, ambos con y sin un campo magnético de 7 teslas activado.
En ausencia del campo magnético, el brazo más grande de la horquilla transfiere más calor que el brazo más pequeño, como los investigadores esperaban. Pero en presencia del campo magnético, el flujo de calor a través del brazo mayor se frenaba un 12 por ciento.
Explicación
Entonces, ¿qué había cambiado? Heremans dice que el campo magnético causaba que algunos de los fonones que pasaban a través del material vibraran no sincronizados para que chocaran uno con el otro, un efecto identificado y cuantificado a través de simulaciones por ordenador realizadas por investigadores del Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales de OSU.
En el brazo más grande, la libertad de movimiento actuó contra los fonones, que experimentaron más colisiones. Un 12 por ciento menos pasó a través del material indemne.
Los fonones reaccionaron al campo magnético, por lo que estas partículas deben de ser sensibles al magnetismo, concluyeron los investigadores. A continuación, se plantean probar si se pueden desviar ondas sonoras hacia los lados con campos magnéticos.
Referencia bibliográfica:
Hyungyu Jin, Oscar D. Restrepo, Nikolas Antolin, Stephen R. Boona, Wolfgang Windl, Roberto C. Myers, Joseph P. Heremans: Phonon-induced diamagnetic force and its effect on the lattice thermal conductivity. Nature Materials (2015). DOI: 10.1038/nmat4247
Hyungyu Jin, Oscar D. Restrepo, Nikolas Antolin, Stephen R. Boona, Wolfgang Windl, Roberto C. Myers, Joseph P. Heremans: Phonon-induced diamagnetic force and its effect on the lattice thermal conductivity. Nature Materials (2015). DOI: 10.1038/nmat4247