С помощью магнитного поля можно управлять распространением тепла и звуковых волн в немагнитных материалах, свидетельствуют результаты экспериментов и компьютерного моделирования, описанные в журнале Nature Materials.

Авторы исследования, ученые из университета Огайо, проследили за тем, как мощное магнитное поле, сопоставимое по силе с магнитным полем медицинского томографа, воздействует на поток тепла, проходящий через полупроводник. Они обнаружили, что количество тепловой энергии, переданной при включенном магнитном поле снизилось на 12%.

Этот эффект имеет квантовую природу. С точки зрения квантовой механики передача тепла и распространение звуковых волн представляют собой один и тот же процесс: движение фононов – квазичастиц, которые представляют собой кванты согласованных колебаний атомов кристаллической решетки твердого тела. Взаимодействие фононов с электронами, например, определяет электрическое сопротивление материала и его способность к сверхпроводимости.

Ученые провели серию экспериментов, измеряя теплопроводность образца из немагнитного материала – полупроводника антимонида индия – под действием сильного магнитного поля силой 7 тесла. Затем на кластере из 8,3 тысячи процессоров пиковой производительность 154 терафлопс они провели компьютерное моделирование процесса.

Оно показало, что магнитное поле вызывает в атомах вещества диамагнитный эффект, то есть создает магнитный момент, противоположный вектору внешнего поля. Этот эффект в свою очередь влияет на поведение фононов и замедляет передачу тепла. Это означает, что в любом немагнитном материале – стекле, камне, пластике – распространение тепла может контролироваться магнитным полем, если у вас есть достаточно мощный магнит. Это может быть полезно, в частности, в энергетике.

Ученые отмечают, что поскольку теплопередача и передача акустических колебаний с точки зрения квантовой теории – одно и то же явление, это означает, что с помощью достаточно сильных магнитных полей можно управлять и звуком.

Однако практическое применение этого эффекта – вопрос не ближайшего будущего. В эксперименте использовались магниты на 7 тесла, которые пока очень редки и дороги. Кроме того, в эксперименте полупроводник из антимонида индия был охлажден до температуры 268 градусов Цельсия ниже нуля – очень близко к абсолютному нулю, чтобы движение фононов могло быть зафиксировано.