Термокристалл фокусирует тепловые волны в луч

В Массачусетском технологическом институте (MIT) разработан принципиально новый способ контроля за распространением тепла. Подобно тому, как недавно полученные фотонные кристаллы способны управлять световыми волнами, фононные кристаллы, описанные в выпуске Physical Review Letters за 11 января, могут делать то же самое применительно к тепловым квазичастицам – фононам.

Материал созданных в MIT фононных кристаллов состоит из полупроводникового сплава с наноструктурой из мельчайших полостей. Расстояние между ними выбрано так, чтобы оно соответствовало длине волны тепловых фононов.

Как пояснил Мартин Мелдован (Martin Maldovan) из отдела материаловедения MIT, тепло отличается от звука частотой колебаний атомной решетки кристалла: звуковые волны находятся в килогерцевом диапазоне, а тепловые – в терагерцевом. Соответственно, звук может распространяться на многие километры, тогда как тепловые волны затухают в пределах нанометров.

Первым шагом к применению стандартных волновых методов управления теплом, было понижение частоты тепловых фононов до уровня «гиперзвукового тепла» – пограничной зоны между звуком и теплом. Для этого были сконструированы кремниевые сплавы с включением наночастиц германия определенного размера.

Кроме того, в отличие от звуковых волн, имеющих одну базовую частоту, для тепловых характерен широкий разброс спектра. Ученым удалось добиться сужения «окна» частот, используя тонкие пленки полученного материала, на границах раздела которых происходило рассеивание фононов.

Благодаря применению всех описанных техник, свыше 40% всего теплового потока было сосредоточено в гиперзвуковой области от 100 до 300 ГГц, при этом большинство фононов сконцентрировалось в узкий луч, вместо того, чтобы распространяться во всех направлениях.

Новая категория материалов, названная термокристаллами, сможет найти применение во многих областях, включая улучшенные термоэлектрический преобразователи. Из термокристаллов можно будет делать тепловые «диоды» и «объективы», которые позволят усовершенствовать конструкцию энергосберегающих зданий для горячего и холодного климата, термоодежды, а также «плащей-невидимок» для систем ночного видения.