미국 에너지부의 오크리지 국립연구소(ORNL)가 오하이오 주립대학교 및 암페놀 코퍼레이션과 공모하여, 세라믹 재료에 전기장을 가하면 한 방향으로 열이 거의 세 배 더 효율적으로 흐르게 할 수 있다는 사실을 발견했다. PRX Energy에 발표된 이 연구 결과는 열 전달에 대해 우리가 알고 있다고 생각했던 모든 것에 도전한다. 적어도 오랜 가정 몇 가지에는 도전한다.

비밀은 포논, 즉 매우 작고 매우 붐비는 지하철처럼 열을 운반하는 작은 원자 진동에 있다. 전기장이 가해지면, 장과 같은 방향으로 진동하는 포논은 더 오래 살고 더 멀리 이동할 수 있는 반면, 옆으로 진동하는 포논은 그냥 포기한다. 결과는? 열이 장 방향을 따라 다른 곳보다 거의 세 배 빠르게 이동한다.

"열이 얼마나 빠르고 어떤 방식으로 흐르는지를 제어할 수 있게 되면 열 에너지를 훨씬 더 효율적으로 관리하는 장치로 이어질 수 있습니다,"라고 ORNL 박사후 연구원 푸스파 우프레티가 더 나은 냉각 시스템을 꿈꾸는 듯한 어조로 말했다.

연구팀은 완화제 기반 강유전체라는 세라믹 종류를 사용했는데, 이들은 재료 세계의 쿨한 아이들이다. 전기장에 노출되면 작은 전하들이 정렬되어 포논을 산란시키지 않는다. 실제로 무슨 일이 일어나는지 보기 위해, 그들은 스펄레이션 중성자 선원에서 고급 비탄성 중성자 산란을 동원했다. 원자가 진동하는 것을 보고 싶다면 큰 중성자 총을 꺼내는 법이다.

"벌크 강유전체 재료에 대한 이전 연구는 열전도도를 5~10% 정도 개선하는 데 그쳤지만, 새로운 측정은 거의 300% 향상을 보여줍니다,"라고 실험을 이끈 ORNL 선임 연구원 마이클 맨리가 말했다. 이는 세 배 증가로, 연구자들조차 놀라게 했다. 그들은 아마도 정중한 넉다운 정도를 기대했을 것이다.

열전도도 실험을 설계한 오하이오 주립대의 고 조셉 헤레만스 교수는 자랑스러워했을 것이다. 그의 박사 과정 학생 델라람 라샤드파르는 "헤레만스 교수님은 항상 데이터를 먼저 신뢰하고 이론은 그 뒤를 따르게 하는 것의 중요성을 강조하셨습니다,"라고 말했다. 특히 데이터가 "이봐, 우리가 열 흐름을 세 배로 늘렸어"라고 말할 때는 현명한 조언이다.

이 돌파구는 고체 냉각 시스템, 열-전기 변환기, 더 나은 칩 기반 전자 장치로 이어질 수 있다. 기본적으로 너무 뜨거워져서 진정이 필요한 모든 것이다. 이 연구는 DOE 기초 에너지 과학 프로그램의 지원을 받았다. 정부도 전자 기기가 과열되는 것을 원하지 않는 모양이다.