Magneticky řízené šíření tepla a zvuku
Podle simulací vědců Superpočítačového centra při Státní univerzitě v Ohiu jsou zvuk a proudění tepla v některých pevných látkách potenciálně spojeny s magnetickými vlastnostmi jeho šiřitelů. Teoreticky je tedy možné šíření tepla a zvuku v některých pevných látkách řídit pomocí magnetického pole.
Tyto simulace jsou založeny na kvantově mechanických modelech pevných látek, přičemž prostředníky šíření tepla a zvuku jsou tzv. fonony - kvazičástice, které vyjadřují kvantovanou podobu dotyčných fyzikálních veličin. Zvuk či teplo, které se zde šíří v nanoskopických rozměrech, mají za určité konfigurace a v určitém prostředí kvantovou povahu a jejich šíření odpovídá rovnicím kvantové teorie. Znamená to mimo jiné, že v podobných situacích nelze nalézt přesnou dělicí čáru mezi vlnami a částicemi - jde o vlnové funkce. Zvuk a teplo zde mají kvantovou podobu jako světlo (fotony) a někdy se projevují spíše jako oddělená kvanta energie čili analogie částic (tzv. kvazičástice). Příslušným energetickým kvantům se říká fonony a nejsou to vlastně samostatné reálné částice, protože se vyskytují pouze v látkovém prostředí jako jeho kolektivní energetické vibrační excitace.
Fonony však také mohou působením magnetického pole získat (indukované) magnetické vlastnosti, takže pak na ně v tom samém (z pohledu materiálu vnějším) magnetickém poli působí síla, kterou lze fonony usměrňovat. Lépe řečeno, magnetické pole přinutí fonony vibrovat mimo standardní synchronizaci a módy. Vědci ze Státní univerzity v Ohiu publikovali svou práci v časopise Nature materials. Podle jejich odhadu může mít potřebná magnetická indukce velikost řádově na úrovni lékařsky provozované aparatury pro magnetickou rezonanci - asi 7 tesla. Pak se například tepelný tok v polovodiči může zmenšit o 12 %. Při ještě silnějším magnetickém poli už dojde i na ovlivnění šíření zvuku. Mechanismus, jakým se u fononů indukuje efektivní magnetická reakce, se podobá dobře známé tzv. diamagnetické odpovědi, kterou pozorujeme u běžných “nekvantových” materiálů.
Diamagnetismus je forma magnetismu, která se objevuje jen v přítomnosti vnějšího magnetického pole. Vložením diamagnetické látky do vnějšího magnetického pole dojde v látce k zeslabení magnetického pole. Řízení toku tepla a šíření zvuku pomocí magnetického pole pak budeme moci pozorovat i u tak normálních materiálů, jakými jsou sklo, kámen nebo plasty. Objev tohoto mechanismu může v budoucnosti ovlivnit způsoby, jakými budeme vyrábět nebo přeměňovat energii. Zatím však vědci popsali magnetické řízení tepla a zvuku jen u výrazně ochlazeného speciálního polovodiče a za působení velmi silného magnetického pole.
Na simulaci těchto jevů se podílel výkonný superpočítačový systém s 8300 procesory Intel Xeon a s výkonem 154 teraFLOPS.
Zdroje: Phys.Org 1, Phys.Org 2, Nature materials
Více z pořadu
E-shop Českého rozhlasu
Kdo jste vy? Klára, nebo učitel?
Tereza Kostková, moderátorka ČRo Dvojka
Jak Klára obrátila všechno vzhůru nohama
Knížka režiséra a herce Jakuba Nvoty v překladu Terezy Kostkové předkládá malým i velkým čtenářům dialogy malé Kláry a učitele o světě, který se dá vnímat docela jinak, než jak se píše v učebnicích.
