Un team guidato dal Laboratorio Nazionale di Oak Ridge del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha recentemente colmato una lacuna di conoscenza fondamentale sul movimento del calore a scala atomica. Questa nuova comprensione promette di migliorare i materiali per avanzare in una tecnologia emergente chiamata raffreddamento a stato solido.
Il raffreddamento a stato solido rappresenta un’innovazione ecologica che potrebbe raffreddare efficacemente molti aspetti della vita quotidiana, dalla conservazione degli alimenti al raffreddamento di veicoli ed elettronica, senza l’uso di liquidi o gas refrigeranti tradizionali e senza parti mobili. Il sistema opererebbe attraverso un sistema silenzioso, compatto e leggero che permette un controllo preciso della temperatura.
Sebbene la scoperta di materiali migliorati e l’invenzione di dispositivi di qualità superiore stiano già contribuendo alla crescita di questo nuovo metodo di raffreddamento, una comprensione più approfondita degli enhancements dei materiali è essenziale. Il team di ricerca ha utilizzato una serie di strumenti di scattering di neutroni per esaminare a scala atomica un materiale che gli scienziati considerano un candidato ottimale per l’uso nel raffreddamento a stato solido.
Il materiale, una lega a memoria di forma magnetica di nichel-cobalto-manganese-indio, può essere deformato e poi ritornare alla sua forma originale attraverso una transizione di fase indotta da un aumento di temperatura o dall’applicazione di un campo magnetico. Quando sottoposto a un campo magnetico, il materiale subisce una transizione di fase magnetica e strutturale, durante la quale assorbe e rilascia calore, un comportamento noto come effetto magnetocalorico. Nelle applicazioni di raffreddamento a stato solido, l’effetto è sfruttato per fornire refrigerazione. Una caratteristica chiave del materiale è la sua vicinanza a condizioni disordinate note come stati vetrosi ferroici, poiché presentano un modo per migliorare la capacità del materiale di immagazzinare e rilasciare calore.
I magnoni, noti anche come onde di spin, e i fononi, o vibrazioni, si accoppiano in una danza sincronizzata in piccole regioni distribuite nell’arrangiamento disordinato di atomi che compongono il materiale. I ricercatori hanno scoperto che i modelli di comportamento in queste piccole regioni, denominati modi ibridi magnon-fonon localizzati nel documento di ricerca del team, hanno importanti implicazioni per le proprietà termiche del materiale.
Lo scattering di neutroni mostra che la capacità di raffreddamento della lega a memoria di forma magnetica è triplicata dal calore contenuto all’interno di questi modi ibridi magnon-fonon locali che si formano a causa del disordine nel sistema. Questa scoperta rivela una via per realizzare materiali migliori per applicazioni di raffreddamento a stato solido per soddisfare le esigenze della società.
Gli scienziati hanno rivelato che i modi causano una significativa alterazione o spostamento dei fononi in presenza di un campo magnetico. I modi modificano anche la stabilità di fase del materiale. Questi cambiamenti possono risultare in alterazioni fondamentali nelle proprietà e nel comportamento del materiale che possono essere regolati e personalizzati.
Il materiale studiato dal team si trova in una fase che ha quasi formato condizioni disordinate note come vetro di spin e vetro di deformazione — non il vetro familiare usato in finestre e altrove, ma piuttosto fasi non convenzionali della materia che mancano di ordine. I momenti magnetici, o piccoli magneti, associati agli atomi nella fase di vetro di spin sono orientati casualmente anziché puntare nella stessa direzione. In confronto, nella fase di vetro di deformazione, il reticolo di atomi è sottoposto a tensione su scala nanometrica in un modello disordinato e irregolare. Vetro di spin e vetro di deformazione sono indicati come condizioni frustrate in un materiale perché derivano da interazioni o vincoli in competizione che impediscono al materiale di raggiungere uno stato ordinato stabile.
Man mano che il materiale si avvicina a questo stato frustrato, la quantità di calore immagazzinato aumenta. Le interazioni a lungo e breve raggio si manifestano come vibrazioni localizzate e onde di spin, il che significa che sono intrappolate in piccole regioni. Questo è importante perché questi stati vibratori localizzati extra immagazzinano calore. La modifica del campo magnetico innescerà un’altra transizione di fase in cui questo calore viene rilasciato.
Controllare le funzioni della lega a memoria di forma magnetica in modo che possa essere utilizzata come una spugna termica potrebbe essere un modo per permettere un raffreddamento a stato solido efficiente senza la necessità di refrigeranti tradizionali o componenti meccanici.