Câmpurile magnetice pot controla căldura şi sunetul

Sunetul se propagă prin intermediul vibraţiilor periodice ale atomilor din gaze, lichide şi solide. Atunci când vorbim unii cu alţii, corzile noastre vocale vibrează şi ele provoacă, de asemenea, vibraţia aerului din jurul nostru. În acest mod se formează undele sonore care se propagă prin aer până când  interacţionează cu timpanul unui ascultător. Prin vibraţia timpanului, ascultătorul poate reconstitui cuvintele vorbitorului.

Magneții au unele proprietăți misterioase. Aceștia pot influența căldura şi sunetul. Credit: www.shutterstock.com.

Propagarea sunetului este condiționată de mediul în care acesta se deplasează și de frecvența undelor sonore. Printr-o proiectare adecvată a instrumentelor muzicale se controlează eficient undele sonore produse de acestea. Mai mult, știm că există unde sonore a căror frecvență se află în afara domeniului audibil al auzului uman. Pe măsură ce fizicienii au studiat frecvenţele sunetului, atât ​din ​interiorul cât și din afara domeniului audibil uman, au fost descoperite noi proprietăți interesante ale acestuia.

Cu mai mult de o sută de ani în urmă, fizicienii au înţeles că şi căldura este doar o formă de energie datorată vibraţiile atomilor şi, prin urmare, şi-au dat seama că sunetul şi căldura sunt legate între ele. În prezent, am arătat experimental, pentru prima dată, că aceste vibraţii atomice au şi proprietăţi magnetice.

Despre sunet

În anii 1930, fizicienii au început să modeleze vibraţiile atomice cu ajutorul particulelor, într-un mod similar celui prin care lumina este şi undă, dar şi particulă. Particula asociată undelor luminoase este denumită foton. Fizicienii au denumit particulele asociate undelor sonore „fononi”, de la cuvântul din limba greacă pentru sunet.

În prezent fizicienii consideră fononii ca pe nişte cvasiparticule, acestea având proprietăţi atât de undă, cât şi de particulă. Prin intermediul fononilor se propaga atât sunetul, cât şi căldura. În metale, căldura este transmisă în principal datorită deplasării electronilor în atomi. Cu toate acestea, în toate celelalte materiale, căldura este transmisă aproape în exclusivitate de către fononi.

În concluzie, proprietăţile mecanice, acustice și termice ale undelor sonore au fost stabilite de mult timp. Cu toate acestea, până acum, nimeni nu şi-a imaginat vreodată că undele sonore ar putea avea, de asemenea, proprietăţi magnetice.

Căldură, sunet… şi magnetism?

În numărul din 23 martie al Nature Materials am prezentat dovada experimentală că undele sonore interacţionează cu câmpurile magnetice exterioare.

Experimentul a fost realizat pe un cristal semiconductor foarte pur, antimoniură de indiu (InSb), care a fost tăiat în două secţiuni inegale şi apoi răcit până la o temperatură de – 265° C. În continuare am încălzit, în mod controlat, fiecare secţiune separat. La aceste temperaturi fononii pot fi consideraţi ca nişte particule individuale, precum alergătorii de pe o pistă de curse, fiecare dintre ei transportând o mică cantitate de căldură.

Cristalul de antimoniură de indiu utilizat în experiment.Credit: Kevin Fitzsimons, The Ohio State University, CC BY-NC-ND

În secțiunea mai mică, fononii se ciocneau mai des de pereții solidului și încetineau. Secțiunea mai mică a fost folosită ca referință, pentru a face experimentul independent de celelalte proprietăți ale solidului. În secțiunea mai mare fononii se puteau deplasa mai repede și nu se ciocneau de pereţi la fel de des pe cât se ciocneau unii cu alţii. Când am aplicat un câmp magnetic, fononii s-au ciocnit mai des unii cu alţii. Deoarece câmpul magnetic măreşte numărul de coliziuni, acesta încetineşte fononii şi reduce cantitatea de căldură pe care aceştia o transportă cu 12%.

O reprezentare artistică a unui material solid încălzit prin trecerea fononilor. Fononul lovește atomul de culoare portocalie care este legat de alți atomi prin intermediul unor legături de forma unui arc. Traseul fononului este marcat prin creșterea intensității câmpului magnetic (culoarea verde). Credit: Renee Ripley, The Ohio State University, CC BY-NC-ND

Noi credem că acest lucru se datorează electronilor care se rotesc pe orbite în jurul fiecărui atom din solid. Mișcarea orbitală a acestor electroni determină apariţia unui câmp magnetic intrinsec foarte slab care interacționează cu câmpul magnetic aplicat din exterior – un efect denumit diamagnetism. Această proprietate caracterizează şi substanțele pe care noi nu le consideram în mod tradițional drept magnetice, cum ar fi sticla, piatra sau plasticul. Atunci când atomii vibrează datorită trecerii fononilor, această interacţiune creează o forţă care face ca fononii să se ciocnească unii cu alţii mult mai des.

Ce putem face cu aceste rezultate?

În acest moment, noi am descris doar un nou concept pe care inginerii îl vor putea folosi pentru a controla căldura şi sunetul prin intermediul câmpului magnetic. Sunetul poate fi deja direcționat în mod eficient cu ajutorul unor surse sonore multiple, ca în imagistica cu ultrasunete, dar conducția controlată a căldurii este mult mai dificilă.

Conversia energiei termice în energie electrică sau energie mecanică, aşa cum se face în cadrul motoarelor şi al centralelor electrice, furnizează peste 90% din energia utilizată de umanitate. Prin urmare, posibilitatea de a controla conducţia căldurii ar putea avea un impact enorm asupra producţiei de energie în viitor.

Traducere şi adaptare după Magnetic fields can control heat and sound