Исследователи из Университета Хьюстона совершили открытие в области теплопроводности, которое опровергает существующую теорию о том, что арсенид бора (BAs) не может конкурировать с алмазом по теплопроводности.
Команда обнаружила, что высококачественные кристаллы могут достигать теплопроводности более 2100 ватт на метр на кельвин (Вт/мК) при комнатной температуре — возможно, выше, чем у алмаза, который считался лучшим проводником тепла среди изотропных материалов.
Это исследование опубликовано в журнале Materials Today и может изменить наше понимание теплопроводящих материалов. Оно также может привести к созданию нового полупроводникового материала с гораздо лучшим управлением тепловыми режимами в мобильных телефонах, мощной электронике и центрах обработки данных.
«Мы доверяем нашим измерениям; наши данные верны, и это означает, что теорию нужно скорректировать», — сказал Чжифэн Жэнь, автор соответствующей статьи и профессор кафедры физики в колледже естественных наук и математики Университета Хьюстона. «Я не говорю, что теория неверна, но необходимо внести коррективы, чтобы соответствовать экспериментальным данным».
Исследование проводилось совместно с Техасским центром сверхпроводимости под руководством Рена и исследователями из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Бостонского колледжа.
В прошлом десятилетии предполагалось, что синтетический материал арсенид бора может соперничать или превосходить алмаз по теплопроводности. В 2013 году физик из Бостонского колледжа Дэвид Бройдо, соавтор исследования, и другие учёные предсказали, что кристаллы BAs могут работать на таком уровне.
Однако, согласно Рену, к 2017 году пересмотренные модели, которые добавляли четырёхфононное рассеяние — более сложный процесс, чем ранее использовавшиеся трёхфононные модели, — ограничивали BAs на уровне 1360 Вт/мК, что заставило большинство исследователей отказаться от возможности более высокой теплопроводности в будущих экспериментах.
Рен и его коллеги считали, что использование исходных материалов более высокой чистоты улучшит теплопроводность, поскольку во многих образцах, демонстрирующих теплопроводность около 1300 Вт/мК, существовали дефекты. Предсказания были основаны на идеальных кристаллах BAs, и учёным удалось экспериментально достичь прогнозируемого уровня тепла, используя образцы со значительными дефектами.
Очистив мышьяк и улучшив методы синтеза, команда получила более чистые кристаллы, которые показали теплопроводность выше 2100 Вт/мК — рекордную теплопроводность, превышающую теоретические ожидания.
Открытие позиционирует BAs как потенциальный прорыв в электронике и управлении тепловыми режимами. Он не только превосходит алмаз по теплопроводности, но и превосходит кремний — текущий отраслевой стандарт — в качестве полупроводника.
Ключевые преимущества арсенида бора:
«Этот новый материал, он замечательный», — сказал Рен. «У него лучшие свойства хорошего полупроводника и хорошего теплопроводника — всевозможные хорошие свойства в одном материале. Такого никогда не было в других полупроводниковых материалах».
Несмотря на прорыв, работа далека от завершения. Исследователи из Техасского центра сверхпроводимости продолжат совершенствовать свои материалы, которые, как они надеются, позволят повысить теплопроводность BAs ещё больше.
Рен призывает теоретиков пересмотреть модели теплопроводности и выйти за пределы теоретических ограничений, возможно, открыв ещё лучшие материалы в будущем.
«Вы не должны позволять теории мешать вам открыть что-то ещё более значительное, и именно это произошло в этой работе», — сказал Рен.
Учёные раскрыли роль узлов в физике элементарных частиц
В 1867 году лорд Кельвин представлял атомы как узлы в эфире. Эта идея была вскоре опровергнута. Атомы оказались совсем другим. Но его отвергнутое видение может всё ещё содержать ключ к пониманию того, почему существует Вселенная.
Японские физики впервые показали, что узлы могут возникать в реалистичной структуре физики элементарных частиц, которая также решает глубокие головоломки, такие как массы нейтрино, тёмная материя и сильная CP-проблема.
Их выводы, опубликованные в Physical Review Letters, предполагают, что эти «космические узлы» могли сформироваться и на короткое время доминировать в бурной новорождённой Вселенной, коллапсируя таким образом, что преобладала материя над антиматерией, и оставляя после себя уникальный гул в пространстве-времени, который будущие детекторы могли бы уловить.
«Это исследование затрагивает одну из самых фундаментальных загадок физики: почему наша Вселенная состоит из материи, а не антиматерии», — сказал автор соответствующей статьи Мунето Нитта, профессор (специальное назначение) в Международном институте устойчивого развития Хиросимского университета в Японии.
«Этот вопрос важен, потому что он напрямую касается того, почему звёзды, галактики и мы сами существуем. Большой взрыв должен был произвести равные количества материи и антиматерии, каждая частица уничтожала бы свою пару-близнеца, пока не осталась бы только радиация. Однако Вселенная в подавляющем большинстве состоит из материи, почти без антиматерии».
Расчёты показывают, что всё, что мы видим сегодня, от атомов до галактик, существует потому, что на каждый миллиард пар материи-антиматерии выжигала одна дополнительная частица материи. Стандартная модель физики элементарных частиц, несмотря на свой выдающийся успех, не может объяснить это несоответствие. Её предсказания на много порядков ниже. Объяснение происхождения этого крошечного избытка материи, известного как бариогенез, является одной из величайших нерешённых загадок физики.
Нитта и Минору Это из Хиросимского университета, институт, созданный для изучения запутанных и хиральных явлений в разных масштабах и дисциплинах, работая с Ю Хамадой из Немецкого электронно-синхротронного центра в Германии, считают, что нашли ответ, который лежал на виду.
Объединив симметрию с числом барионов минус число лептонов (B-L) с симметрией Печчи–Квинна (PQ), команда показала, что узлы могли естественным образом образоваться в ранней Вселенной и генерировать наблюдаемый избыток.
Эти две давно изученные расширения Стандартной модели заполняют некоторые из её наиболее загадочных пробелов. Симметрия PQ решает сильную CP-проблему, загадку того, почему эксперименты не обнаруживают крошечный электрический дипольный момент, который теория предсказывает для нейтрона, и в процессе вводит аксион, ведущий кандидат на тёмную материю. Между тем симметрия B–L объясняет, почему нейтрино, призрачные частицы, которые могут проходить через целые планеты незамеченными, имеют массу.
Сохранение глобальной симметрии PQ, а не её калибровка, сохраняет тонкую аксионную физику, которая решает сильную CP-проблему. В физике «калибровка» симметрии означает позволение ей действовать свободно в каждой точке пространства-времени. Но эта локальная свобода имеет свою цену. Чтобы сохранить согласованность, природа должна ввести новый носитель силы, чтобы сгладить уравнения.
Калибруя симметрию B–L, исследователи не только гарантировали присутствие тяжёлых правосторонних нейтрино, необходимых для того, чтобы теория была без аномалий и занимала центральное место в ведущих моделях бариогенеза, но также ввели сверхпроводящее поведение, которое обеспечивало магнитную основу для, возможно, некоторых из самых ранних узлов во Вселенной.
По мере того как Вселенная охлаждалась после Большого взрыва, её симметрии разрушались через серию фазовых переходов и, подобно неравномерному замерзанию льда, могли оставлять после себя нитевидные дефекты, называемые космическими струнами, гипотетические трещины в пространстве-времени, которые, по мнению многих космологов, всё ещё могут быть там. Хотя они тоньше протона, дюйм струны мог бы весить больше, чем горы.
По мере расширения космоса сплетённая паутина этих нитей растягивалась и запутывалась, неся отпечатки первобытных условий, которые когда-то преобладали.
Нарушение симметрии B–L породило магнитные трубчатые струны потока, в то время как симметрия PQ породила сверхтекучие вихри без потока. Их контрастность — вот что делает их совместимыми.
Струна B-L даёт вихрю PQ-сверхтекучей жидкости что-то, за что можно зацепиться. И, в свою очередь, связь позволяет вихрю PQ-сверхтекучей жидкости перекачивать заряд в струну B-L, противодействуя напряжению, которое обычно заставило бы петлю разорваться. В результате получилась метастабильная, топологически запертая конфигурация, называемая солитоном узла.
«Никто не изучал эти две симметрии одновременно», — сказал Нитта. «Это было своего рода удачей для нас. Объединение их вместе выявило стабильный узел».
Пока излучение теряло энергию, когда его волны растягивались вместе с пространством-временем, узлы вели себя как материя, исчезая гораздо медленнее. Они вскоре захватили всё, открыв эру доминирования узлов, когда их плотность энергии, а не излучения, управляла космосом. Но это правление длилось недолго.
Узлы в конце концов распутались посредством квантового туннелирования, фантомного процесса, при котором частицы проскальзывают через энергетические барьеры, как будто их там и нет. Их коллапс породил тяжёлые правосторонние нейтрино, встроенным следствием симметрии B–L, вплетённой в их структуру. Эти массивные призрачные частицы затем распадались на более лёгкие, более стабильные формы с небольшим уклоном в сторону материи над антиматерией, давая нам Вселенную, которую мы знаем.
«По сути, этот коллапс производит множество частиц, включая правосторонние нейтрино, скалярные бозоны и калибровочный бозон, как в душе», — объясняет соавтор исследования Хамада. «Среди них правосторонние нейтрино особенные, потому что их распад может естественным образом генерировать дисбаланс между материей и антиматерией. Эти тяжёлые нейтрино распадаются на более лёгкие частицы, такие как электроны и фотоны, создавая вторичный каскад, который повторно нагревает Вселенную».
«В этом смысле, — добавил он, — они являются родителями всей материи во Вселенной сегодня, включая наши собственные тела, а узлы можно считать нашими предками».
Когда исследователи проследили математику, закодированную в их модели — насколько эффективно узлы производили правосторонние нейтрино, насколько массивными были эти нейтрино и насколько горячей была Вселенная после их распада — дисбаланс между материей и антиматерией, который мы наблюдаем сегодня, естественным образом возник из уравнения.
Переставляя формулу и подставляя реалистичную массу 10¹² гигаэлектронвольт (ГэВ) для тяжёлых правосторонних нейтрино и предполагая, что узлы направляли большую часть своей накопленной энергии на создание этих частиц, модель естественным образом остановилась на температуре повторного нагрева в 100 ГэВ.
Эта температура случайно отмечает последнее окно Вселенной для создания материи. Будь она холоднее, электрослабые реакции, преобразующие нейтринный дисбаланс в материю, закрылись бы навсегда.
Повторный нагрев до 100 ГэВ также изменил бы гравитационно-волновой хор Вселенной, наклонив его в сторону более высоких частот. Будущие обсерватории, такие как Космическая антенна лазерного интерферометра (LISA) в Европе, Cosmic Explorer в Соединённых Штатах и Децигерцевый гравитационно-волновой обсерваторий (DECIGO) в Японии, однажды смогут уловить это едва заметное изменение мелодии.
«Космические струны — это своего рода топологический солитон, объекты, определяемые величинами, которые остаются неизменными независимо от того, сколько вы их скручиваете или растягиваете», — сказал Это. «Это свойство не только обеспечивает их стабильность, но и означает, что наш результат не привязан к специфике модели. Хотя работа всё ещё носит теоретический характер, лежащая в её основе топология не меняется, поэтому мы рассматриваем это как важный шаг к будущим разработкам».
В то время как Кельвин первоначально предположил, что узлы являются фундаментальными строительными блоками материи, исследователи утверждали, что их выводы «впервые предоставляют реалистичную модель физики элементарных частиц, в которой узлы могут играть решающую роль в происхождении материи».
«Следующий шаг — усовершенствовать теоретические модели и симуляции, чтобы лучше предсказывать формирование и распад этих узлов, а также связать их сигнатуры с наблюдаемыми сигналами», — сказал Нитта. «В частности, предстоящие эксперименты с гравитационными волнами, такие как LISA, Cosmic Explorer и DECIGO, смогут проверить, действительно ли Вселенная прошла через эру доминирования узлов».
Исследователи надеются разгадать, были ли узлы необходимы для происхождения материи, и, сделав это, связать воедино более полную историю начал Вселенной.
thermal conductivity exceeding 2,100 watts per meter per Kelvin (W/mK) at room temperature—possibly higher than diamond, which has been considered the best heat conductor among isotropic materials.»,»Published in Materials Today, this research challenges existing theories and could reshape our understanding of heat-conducting materials. It could also bring forth a new semiconductor material with much better thermal management in cell phones, high-powered electronics and data centers.»,»\»We trust our measurement; our data is correct and that means the theory needs correction,\» said Zhifeng Ren, corresponding author and a professor in the Department of Physics in UH’s College of Natural Sciences and Mathematics. \»I’m not saying the theory is wrong, but an adjustment needs to be made to be consistent with the experimental data.\»»,»The study was a collaboration between UH’s Texas Center for Superconductivity—directed by Ren—and researchers at the University of California, Santa Barbara, and Boston College.»,»In the past decade, boron arsenide, a synthetic material, had been theorized to rival or surpass diamond’s thermal conductivity, or the ability to carry heat away from products efficiently.»,»In 2013, Boston College physicist David Broido, the study’s co-author, and others predicted that BAs crystals could perform at this level.»,»But according to Ren, by 2017, revised models that added four-phonon scattering—a more complex process than previously used three-phonon models—capped BAs at 1,360 W/mK, causing most researchers to dismiss the potential for higher thermal conductivity in future experiments.»,»Ren and fellow researchers, however, believed using source materials with higher purity would improve thermal conductivity because many defects existed in the samples showing thermal conductivity at about 1,300 W/mK. Predictions were based on perfect BAs crystals, and scientists managed to experimentally achieve the predicted heat level using samples with significant defects.»,»By purifying raw arsenic and improving synthesis techniques, the team produced cleaner crystals that showed thermal conductivity above 2,100 W/mK—and with them, record-breaking thermal conductivity that exceeded theoretical expectations.»,»The discovery positions BAs as a potential game-changer in electronics and thermal management. It not only surpasses diamond in heat conduction but also outperforms silicon—the current industry standard—as a semiconductor.»,»Key advantages of boron arsenide include:»,»\»This new material, it’s so wonderful,\» Ren said. \»It has the best properties of a good semiconductor, and a good thermal conductor—all sorts of good properties in one material. That has never happened in other semiconducting materials.\»»,»Despite the breakthrough, the work is far from over. Texas Center for Superconductivity researchers will continue refining their materials, which they hope will push BAs’ thermal conductivity even higher.»,»Ren invites theorists to re-examine thermal conductivity models and push beyond theoretical limits, possibly unlocking even better materials in the future.»,»\»You shouldn’t let a theory prevent you from discovering something even bigger, and this exactly happened in this work,\» Ren said.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Houston\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник