Sciencemag.cz
Doporučujeme
Krystaly bývají obvykle dobrými vodiči tepla, u skel je tomu naopak. Jedná se o důsledek toho, že v pravidelně uspořádaném krystalu se teplo může šířit jako vlna jedním směrem, zatímco u amorfních látek vibrace přeskakují z atomu na atom náhodně a přitom se se rozptylují.
Krystalická látka BaTiS3 (sulfid barnato-titaničitý) má ale jednu zvláštní vlastnost. Atom titanu zde totiž může existovat na dvou prostorově odlišených místech, které odpovídají dvěma různým energetickým hladinám (základní a excitovaný stav). Mezi oběma těmito pozicemi může rovněž docházet ke kvantovému tunelování, a to překvapivě často (zejména vzhledem k tomu, o jak velký atom jde) – což zase souvisí s tím, jak relativně nízká potenciálová bariéra oba stavy odděluje..
Jak si všimli výzkumníci z Caltechu, USC a Oak Ridge National Laboratory, při přenosu tepla to pak funguje následovně: vibrace posune atom titanu do excitovaného stavu, ten pak skočí zpět, jenže energie je už pak dál rozptýlena cca v náhodném směru, nikoliv předána přímo. BaTiS3 má pak tepelnou vodivost jako sklo, ba dokonce se u něj navíc tepelná vodivost s klesající teplotou snižuje, což už je velká anomálie; měření byla prováděna za teplot mezi 50 a 500 K. Ukázalo se, že za nízkých teplot má BaTiS3 jednu z vůbec nejhorších tepelných vodivostí pevných látek (tedy těch „vyplněných“, nepočítáme-li porézní materiály).
Krystalické látky se špatnou tepelnou vodivostí by potenciálně mohly být použitelné např. jako termoelektrické materiály i pro další aplikace. Dosud se tepelná vodivost snižovala tak, že se do krystalických materiálů zanášely kazy (příměsi – jiné atomy), což ale zase měnilo elektrickou vodivost i optické vlastnosti. Speciální špatně tepelně vodivé krystaly by podobné úpravy a z toho vyplývající kompromisy nevyžadovaly.
Vedle BaTiS3 jsou známy ještě některé další špatně tepelně vodivé krystaly, ale zbývá teprve prozkoumat, zda jde o důsledek stejného jevu.
Bo Sun et al, High frequency atomic tunneling yields ultralow and glass-like thermal conductivity in chalcogenide single crystals, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-19872-w
Zdroj: California Institute of Technology / Phys.org
