Wydajne przenikanie ciepła w skali nano
Blisko dziesięć lat temu odkryty został nowy, bardzo wydajny rodzaj przewodnictwa cieplnego, mianowicie wymiana ciepła poprzez wzbudzenia magnetyczne w quasi-jednowymiarowych materiałach kwantowo-magnetycznych. Przewodzenie ciepła w wyniku wzbudzeń magnetycznych jest prawie tak samo wydajne jak w przypadku konwencjonalnych metali w temperaturze pokojowej. Nowatorskie związki magnetyczne oferują też liczne zalety związane ze skutecznym odprowadzaniem ciepła. Uczestnicy finansowanego ze środków UE projektu "Low-dimensional quantum magnets for thermal management" (LOTHERM) pracowali nad wykorzystaniem quasi-jednowymiarowych magnesów kwantowych w celu uzyskania szybszego i bardziej wydajnego obniżania temperatury w urządzeniach i układach elektronicznych. W tym scenariuszu ciepło jest przewodzone przez oś krystaliczną, podczas gdy w pozostałych osiach występuje opór termiczny. Ponadto ciepło jest przewodzone przez zlokalizowane momenty magnetyczne, którymi można manipulować za pomocą pola magnetycznego lub światła. Rozwiązanie to umożliwia zbudowanie izolatora elektrycznego z przewodnością cieplną w temperaturze pokojowej. Przygotowano i przetestowano w temperaturze pokojowej wybrane monokryształy o dużej czystości niskowymiarowych magnesów kwantowych o wysokim przewodnictwie cieplnym (wysokiej wartości kappa-mag), między innymi związki drabinkowe o pięciu odgałęzieniach. Monokryształy o dużej czystości przejawiały wysokie przewodnictwo cieplne, podczas gdy sztuczne zaburzenie układu przy pomocy domieszkowania powodowało radykalne obniżenie wartości kappa-mag. Wyhodowano także filmy tych materiałów. Badacze poczynili znaczne postępy, jeśli chodzi o opracowanie nowych technik doświadczalnych do analizowania transportu i dynamiki magnesów. Partnerzy projektu zgromadzili dane dotyczące przewodności cieplnej do 800 kelwinów. Aby ocenić zdolność odprowadzania ciepła materiałów o wysokiej wartości kappa-mag, przeprowadzono symulację przepływu ciepła, która pozwoliła na scharakteryzowanie realistycznych urządzeń elektronicznych. Efektem prac zespołu było zbudowanie i scharakteryzowanie urządzenia zawierającego materiał o wysokiej wartości kappa-mag i cechującego się wysokim współczynnikiem anizotropowego rozpraszania ciepła na powierzchni. Dzięki temu możliwe było zbadanie niezwykłych właściwości przewodzenia ciepła, takich jak nieregularne rozmieszczenie przepływu ciepła. Projekt LOTHERM wniósł istotny wkład w rozwój europejskiej nauki dzięki wykorzystaniu materiałów umożliwiających kontrolowanie rozpraszania energii i ciepła na poziomie nano. Jednowymiarowe magnesy dają wyjątkową możliwość badania stanów podstawowych i wzbudzonych modeli kwantowych, a także zależności między zmianami kwantowymi i cieplnymi.
Słowa kluczowe
Odprowadzanie ciepła, magnes kwantowy, o małych rozmiarach, przewodzenie ciepła, rozpraszanie ciepła, kappa-mag
