エネルギー省のオークリッジ国立研究所（ORNL）の研究者たちは、オハイオ州立大学およびアンフェノール・コーポレーションと共謀して、セラミック材料に電場をかけると、一方向への熱の流れがほぼ3倍効率的になることを発見した。この発見は、PRX Energyに掲載され、熱輸送について私たちが知っていると思っていたすべてのことに挑戦する——少なくとも、いくつかの長年の仮定に挑戦する。

秘密はフォノンにある。フォノンは、非常に小さくて非常に混雑した地下鉄のように熱を運ぶ原子の微細な振動だ。電場が印加されると、電場と同じ方向に振動するフォノンはより長く生き、より遠くまで移動できるようになり、横方向に振動するフォノンはただ諦める。結果？熱は電場の方向に、他の方向よりもほぼ3倍速く進む。

「熱の流れる速さと方法の両方を制御できれば、熱エネルギーをはるかに効率的に管理するデバイスが実現する可能性があります」と、ORNLの博士研究員プスパ・ウプレティは、より優れた冷却システムをすでに夢見ているような口調で語った。

研究チームは、リラクサー系強誘電体と呼ばれるセラミックの一種を使用した。これは基本的に材料界のクールな連中で、電場にさらされると、小さな電荷が整列し、フォノンの散乱を止める。実際に何が起こっているかを確認するために、彼らはスパレーション中性子源で高度な非弾性中性子散乱を展開した。原子の振動を見たいときは、大きな中性子銃を持ち出すのだ。

「バルク強誘電体材料に関する以前の研究では、熱伝導率が5％から10％の控えめな改善にとどまっていましたが、新しい測定では300％近い向上が明らかになりました」と、実験を主導したORNLの上級研究員マイケル・マンリーは語った。これは3倍の増加であり、研究者たち自身も驚かせた。彼らはおそらく、もっと丁寧な後押しのようなものを期待していたのだろう。

熱伝導率実験を設計したオハイオ州立大学の故ジョセフ・ヘレマンズ教授も誇りに思うだろう。彼の博士課程の学生デララム・ラシャドファーは、「ヘレマンズ教授は常に、データを最初に信頼し、理論はそれに従わせることの重要性を強調していました」と述べた。賢明なアドバイスだ。特にデータが「ねえ、熱流を3倍にしたよ」と言っているときは。

このブレークスルーは、固体冷却システム、熱電変換器、より優れたチップベースの電子機器——基本的に熱くなりすぎて落ち着く必要があるものすべて——につながる可能性がある。この研究は、DOE基礎エネルギー科学プログラムによって支援された。どうやら政府も電子機器の過熱を止めさせたいらしい。