До сих пор общепринятое мнение сохранялось в зарегистрированных наблюдениях и научных экспериментах с использованием различных материалов, таких как газы, жидкости и твердые тела.

Исследователи подробно описали свое открытие в исследовании, опубликованном на прошлой неделе Природа. Они обнаружили, что арсенид бора, который уже рассматривался как весьма перспективный материал для управления теплом и передовой электроники, также обладает уникальным свойством. После достижения чрезвычайно высокого давления, которое в сотни раз превышает давление, обнаруженное на дне океана, теплопроводность арсенида бора фактически начинает снижаться.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что могут существовать и другие материалы, испытывающие то же явление в экстремальных условиях. Прогресс также может привести к появлению новых материалов, которые могут быть разработаны для интеллектуальных энергетических систем со встроенными "окнами давления", чтобы система включалась только в определенном диапазоне давления, прежде чем автоматически отключаться после достижения точки максимального давления.

"Это фундаментальное исследование показывает, что общее правило зависимости от давления начинает нарушаться в экстремальных условиях", - сказал руководитель исследования Юнцзе Ху, адъюнкт-профессор механики и аэрокосмической инженерии в инженерной школе Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. "Мы ожидаем, что это исследование не только послужит ориентиром для потенциального пересмотра текущего понимания движения тепла, но также может повлиять на установленные прогнозы моделирования для экстремальных условий, таких как те, которые находятся в недрах Земли, где прямые измерения невозможны".

По словам Ху, исследовательский прорыв может также привести к переоснащению стандартных методов, используемых в исследованиях ударных волн.

Подобно тому, как звуковая волна проходит через колокольчик, тепло проходит через большинство материалов посредством атомных колебаний. Поскольку давление сжимает атомы внутри материала ближе друг к другу, это позволяет теплу проходить через материал быстрее, атом за атомом, пока его структура не разрушится или не перейдет в другую фазу.

Однако в случае с арсенидом бора это не так. Исследовательская группа заметила, что тепло начало двигаться медленнее при экстремальном давлении, предполагая возможную интерференцию, вызванную различными способами вибрации тепла через структуру при повышении давления, аналогично перекрывающимся волнам, компенсирующим друг друга. Такая интерференция включает в себя взаимодействия более высокого порядка, которые не могут быть объяснены с помощью учебников физики.

Результаты также свидетельствуют о том, что теплопроводность минералов может достигать максимума после определенного диапазона давлений. "Если это применимо к интерьерам планет, это может указывать на механизм внутреннего "теплового окна" - внутреннего слоя внутри планеты, где механизмы теплового потока отличаются от механизмов под и над ней", - говорит соавтор Эбби Кавнер, профессор наук о земле, планетах и космосе в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе.. "Подобный слой может генерировать интересное динамическое поведение в недрах больших планет".

Чтобы создать среду чрезвычайно высокого давления для демонстрации теплопередачи, исследователи поместили и сжали кристалл арсенида бора между двумя алмазами в контролируемой камере. Затем они использовали квантовую теорию и несколько передовых методов визуализации, включая сверхбыструю оптику и измерения неупругого рассеяния рентгеновских лучей, чтобы наблюдать и подтверждать ранее неизвестное явление.

Аспиранты-механики Суйсюань Ли, Цзыхао Цинь, Хуань Ву и Ман Ли из исследовательской группы Ху являются соавторами исследования. Другими авторами являются Кавнер, Мартин Кунц из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Ахмет Алатас из Аргоннской национальной лаборатории.

Исследование финансировалось Национальным научным фондом, Фондом Альфреда П. Слоана и премией имени В.М. Ватанабе за выдающиеся научные достижения от Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Самуэли. Некоторые эксперименты были проведены на двух объектах Министерства энергетики США - усовершенствованном источнике фотонов в Аргоннской национальной лаборатории и усовершенствованном источнике света в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Вычислительные услуги были предоставлены Институтом цифровых исследований и образования Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Национальным научным фондом. Авторы также получили поддержку от Исследовательского центра наноэлектроники и Калифорнийского института наносистем (CNSI) при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. И Ху, и Кавнер являются членами CNSI.