Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory (ORNL), i maskopi med Ohio State University och Amphenol Corporation, har upptäckt att applicering av ett elektriskt fält på ett keramiskt material kan få värme att flöda nästan tre gånger mer effektivt i en riktning. Resultaten, publicerade i PRX Energy, utmanar allt vi trodde vi visste om värmetransport – eller åtminstone utmanar de några långvariga antaganden.

Hemligheten ligger i fononer, de där små atomära vibrationerna som bär värme som en mycket liten, mycket trång tunnelbana. När ett elektriskt fält appliceras får fononerna som vibrerar i samma riktning som fältet leva längre och färdas längre, medan de som vibrerar i sidled bara ger upp. Resultatet? Värme susar längs fältriktningen nästan tre gånger snabbare än någon annanstans.

”Att kunna kontrollera både hur snabbt och på vilket sätt värme flödar skulle kunna leda till enheter som hanterar termisk energi mycket mer effektivt”, sade Puspa Upreti, en postdoktor vid ORNL, i en ton som antyder att hon redan drömmer om bättre kylsystem.

Teamet använde en klass keramer som kallas relaxorbaserade ferroelektrika, vilka i princip är coola kids i materialvärlden – när de utsätts för ett elektriskt fält ställer deras små elektriska laddningar upp sig och slutar sprida fononerna. För att se vad som faktiskt hände använde de avancerad oelastisk neutronspridning vid Spallation Neutron Source, för när man vill se atomer vibrera tar man fram de stora neutronkanonerna.

”Tidigare arbete med bulk-ferroelektriska material uppnådde blygsamma förbättringar i värmeledningsförmåga på 5 till 10 procent, medan de nya mätningarna avslöjar en förbättring på nära 300 procent”, sade ORNL:s seniorforskare Michael Manley, som ledde experimenten. Det är en tredubbling, vilket överraskade även forskarna, som tydligen förväntade sig något mer som en artig knuff.

Den bortgångne professorn Joseph Heremans vid Ohio State, som designade experimenten för värmeledningsförmåga, skulle ha varit stolt. Hans doktorand Delaram Rashadfar noterade: ”Professor Heremans betonade alltid vikten av att lita på datan först och låta teorin följa.” Visa råd, särskilt när datan säger: ”Hej, vi har precis tredubblat värmeflödet.”

Detta genombrott skulle kunna leda till fasta kylsystem, omvandlare från värme till elektricitet och bättre chipbaserad elektronik – i princip allt som blir för varmt och behöver lugna ner sig. Forskningen stöddes av DOE Basic Energy Sciences-programmet, för tydligen vill även regeringen att dess elektronik ska sluta överhettas.