Energia

Laser de som: partículas de som podem revolucionar termoeletricidade

Laser de som: partículas de som podem revolucionar termoeletricidade
Os fônons sofreram uma transição de onda para partícula em uma superrede de óxidos de perovskita. [Imagem: Berkeley Lab]

Transporte coerente de fônons

A luz existe tanto como uma onda quanto como partículas quânticas, chamadas fótons.

É esta dualidade partícula-onda da luz que permite o transporte coerente dos fótons - mais conhecido como laser.

O som em escala atômica tem essa mesma natureza dualista, existindo como onda e como quasipartículas conhecidas como fônons.

Mas será que essa dualidade permite a construção de lasers sônicos, lasers baseados em fônons?

Muitos cientistas dizem que sim, e que um laser de som está bem próximo da realidade.

Outros, porém, questionam as interpretações dos experimentos, fazendo com que a questão permaneça controversa.

A demonstração experimental de ondas coerentes de fônons tem sido difícil porque fônons não são partículas verdadeiras, mas vibrações coletivas de átomos em uma estrutura cristalina, vibrações estas que podem ser quantizadas como se fossem partículas.

Tudo bem que não sejam "partículas verdadeiras", mas elas são bem reais para os físicos, que as usam para explicar não apenas a propagação do som, mas também o calor específico, a condução térmica e até a condutividade elétrica dos materiais em escala atômica.

Agora, Jayakanth Ravichandran e seus colegas dos Laboratórios Berkeley, nos Estados Unidos, afirmam ter feito a primeira "demonstração inequívoca" do transporte coerente de fônons.

No experimento, os fônons sofreram uma transição de onda para partícula em uma superrede de óxidos de perovskita - uma superrede é uma estrutura formada por camadas alternadas de diferentes elementos semicondutores, diferente da rede atômica de um cristal de um único elemento.

Laser de som: partículas de som podem revolucionar termoeletricidade
O transporte dos fônons é a chave para a condutividade térmica nos semicondutores. [Imagem: Berkeley Lab]

Termoeletricidade

Compreender a natureza de ondas coerentes de fônons tem uma importância fundamental não apenas para a pesquisa básica, mas também para aplicações de grande interesse tecnológico.

A principal dessas aplicações envolve os materiais termoelétricos, que podem converter calor em eletricidade, ou eletricidade em calor.

A termoeletricidade é tida como uma fonte potencial de energia limpa e verde, mas a eficiência dos materiais disponíveis ainda é muito baixa.

Uma baixa condutividade térmica em um semicondutor é uma das chaves para melhorar a eficiência dos materiais termoelétricos, e, por sua vez, o transporte dos fônons é a chave para a condutividade térmica nos semicondutores.

Se for possível aproveitar o comportamento de onda dos fônons, poderá ser possível novos avanços não apenas na termoeletricidade, mas em todas as aplicações que envolvem transferência de calor.

Outra vantagem do experimento é que as heteroestruturas baseadas em superredes de perovskita poderiam servir como elementos fundamentais para o desenvolvimento dos lasers de som, em que são emitidos feixes coerentes de fônons, em vez de fótons coerentes, como nos lasers tradicionais.

Os lasers fonônicos poderiam fornecer imagens de ultra-som de alta resolução ou permitir a construção de aparelhos de medição de alta precisão, entre muitas outras possibilidades.

Bibliografia:

Crossover from incoherent to coherent phonon scattering in epitaxial oxide superlattices
Jayakanth Ravichandran, Ajay K. Yadav, Ramez Cheaito, Pim B. Rossen, Arsen Soukiassian, S. J. Suresha, John C. Duda, Brian M. Foley, Che-Hui Lee, Ye Zhu, Arthur W. Lichtenberger, Joel E. Moore, David A. Muller, Darrell G. Schlom, Patrick E. Hopkins, Arun Majumdar, Ramamoorthy Ramesh, Mark A. Zurbuchen
Nature Materials
Vol.: 13, 168-172
DOI: 10.1038/nmat3826




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