Tendencias21

Consiguen manejar el calor y el sonido con imanes

Investigadores de la Universidad Estatal de Ohio (OSU, EE.UU.) han descubierto la forma de controlar el calor y el sonido con un campo magnético. El logro constata por vez primera que los fonones acústicos -partículas elementales que transmiten calor y sonido a la vez- tienen propiedades magnéticas.

Consiguen manejar el calor y el sonido con imanes

Investigadores de la Universidad Estatal de Ohio (OSU, EE.UU.) han descubierto la forma de controlar el calor con un campo magnético.

En la edición de este pasado martes de la revista Nature Materials describen cómo un campo magnético más o menos del tamaño de una resonancia magnética médica reduce la cantidad de calor que fluye a través de un semiconductor en un 12 por ciento.

El estudio es el primero en demostrar que los fonones acústicos -las partículas elementales que transmiten calor y sonido a la vez- tienen propiedades magnéticas.

«Esto añade una nueva dimensión a nuestra comprensión de las ondas acústicas», dice Joseph Heremans, experto en Nanotecnología y profesor de ingeniería mecánica en la OSU, en la web de ésta. «Hemos demostrado que podemos dirigir el calor magnéticamente. Con un campo magnético lo suficientemente fuerte, deberíamos ser capaces de dirigir las ondas de sonido, también.»

Puede resultar sorprendente que el calor y el sonido tengan algo que ver entre sí, y mucho más que puedan ser controlados por imanes, reconoce Heremans. Pero ambos son expresiones de la misma forma de energía, hablando en términos de mecánica cuántica. Así que cualquier fuerza que controle uno debe controlar a la otra.

«En esencia, el calor es la vibración de los átomos», explica. «El calor es conducido a través de materiales mediante vibraciones. Cuanto más caliente esté un material, más rápido vibrarán los átomos».

«El sonido es la vibración de los átomos, también», continúa. «Hablo a través de vibraciones, porque mis cuerdas vocales comprimen el aire y crean vibraciones que viajan hacia usted, y usted las recoge en sus oídos como sonido.»

El nombre «fonones» suena muy parecido a «fotones»: es porque los investigadores consideran que son primos. Los fotones son partículas de luz, y los fonones son partículas de calor y sonido. Pero los investigadores han estudiado los fotones intensamente durante cien años, desde que Einstein descubrió el efecto fotoeléctrico. Los fonones no han recibido tanta atención, por lo que no se sabe mucho acerca de ellos más allá de sus propiedades de calor y sonido.

«Creemos que estas propiedades generales están presentes en cualquier sólido», dice Hyungyu Jin, investigador postdoc de la OSU y autor principal del estudio.

Consecuencias

La implicación: En materiales como vidrio, piedra, plástico -materiales que no son convencionalmente magnéticos- el calor puede ser controlado magnéticamente, si se tiene un imán suficientemente poderoso. El efecto pasaría desapercibido en los metales, que transmiten tanto calor a través de los electrones que cualquier calor transportado por fonones es insignificante en comparación.

No habrá ninguna aplicación práctica de este descubrimiento a corto plazo: los imanes de 7 teslas como el utilizado en el estudio no existen fuera de los hospitales y laboratorios, y el semiconductor tuvo que enfriarse a -268 grados Celsius, muy cerca del cero absoluto, para hacer que los átomos del material se ralentizaran los suficiente para que los movimientos de los fonones fueran detectables.

Es por eso que el experimento fue tan difícil, dice Jin. Tomar una medida térmica a una temperatura tan baja era difícil. Su solución fue tomar una pieza del semiconductor antimoniuro de indio y darle la forma de horquilla vibratoria asimétrica. Un brazo de la horquilla tenía 4 mm de ancho y el otro 1 mm. Jin colocó calentadores en la base de los brazos.

El diseño funcionó debido a una peculiaridad del comportamiento del semiconductor a bajas temperaturas. Normalmente, la capacidad de un material para transferir calor dependería únicamente del tipo de átomos de los que está hecho. Pero a temperaturas muy bajas, como las utilizadas en este experimento, otro factor entra en juego: el tamaño de la muestra que se está probando.

En esas condiciones, una muestra más grande puede transferir calor más rápido que una muestra más pequeña del mismo material. Esto significa que el brazo mayor de la horquilla vibratoria podía transferir más calor que el brazo más pequeño.

Heremans explica por qué: «Imagine que la horquilla vibratoria es una pista y que los fonones que fluyen desde la base son corredores. Los corredores que toman el lado estrecho de la horquilla apenas tienen espacio suficiente para pasar a través de él, y siguen chocando con las paredes de la pista, lo que les frena. Los corredores que toman la pista más ancha pueden correr más rápido, debido a que tienen un montón de espacio.

«Todos ellos acaban pasando por el material, la pregunta es cómo de rápido», continúa. «Cuantas más colisiones sufren, más lento van.»

En el experimento, Jin midió el cambio de temperatura en ambos brazos de la horquilla y restó uno del otro, ambos con y sin un campo magnético de 7 teslas activado.

En ausencia del campo magnético, el brazo más grande de la horquilla transfiere más calor que el brazo más pequeño, como los investigadores esperaban. Pero en presencia del campo magnético, el flujo de calor a través del brazo mayor se frenaba un 12 por ciento.

Explicación

Entonces, ¿qué había cambiado? Heremans dice que el campo magnético causaba que algunos de los fonones que pasaban a través del material vibraran no sincronizados para que chocaran uno con el otro, un efecto identificado y cuantificado a través de simulaciones por ordenador realizadas por investigadores del Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales de OSU.

En el brazo más grande, la libertad de movimiento actuó contra los fonones, que experimentaron más colisiones. Un 12 por ciento menos pasó a través del material indemne.

Los fonones reaccionaron al campo magnético, por lo que estas partículas deben de ser sensibles al magnetismo, concluyeron los investigadores. A continuación, se plantean probar si se pueden desviar ondas sonoras hacia los lados con campos magnéticos.

Referencia bibliográfica:

Hyungyu Jin, Oscar D. Restrepo, Nikolas Antolin, Stephen R. Boona, Wolfgang Windl, Roberto C. Myers, Joseph P. Heremans: Phonon-induced diamagnetic force and its effect on the lattice thermal conductivity. Nature Materials (2015). DOI: 10.1038/nmat4247

RedacciónT21

Hacer un comentario

RSS Lo último de Tendencias21

  • Una corriente oceánica fundamental para el equilibrio climático podría anticipar su colapso 13 febrero, 2024
    Los científicos han descubierto una señal de advertencia clave antes que una corriente crucial del Atlántico colapse y sumerja al hemisferio norte en un verdadero caos climático: la Circulación de Vuelco Meridional del Atlántico (AMOC) genera una liberación de calor que ayuda a mantener a Europa, y también en parte a América del Norte, más […]
    Pablo Javier Piacente
  • Toda la biblioteca privada de Darwin ya está disponible en Internet 13 febrero, 2024
    La biblioteca privada de Charles Darwin ha sido completamente reconstruida y está disponible en Internet por primera vez, coincidiendo con el 215 cumpleaños del naturalista. El catálogo, de 300 páginas, contiene 7.400 títulos con un total de 13.000 volúmenes entre libros, escritos y revistas, que están al alcance de todo el mundo sin salir de […]
    Redacción T21
  • El metro de Londres implanta IA para vigilar la red subterránea 13 febrero, 2024
    El metro de Londres ha probado herramientas de vigilancia con IA en tiempo real para detectar posibles situaciones de riesgo o de conflicto y permitir al personal intervenir rápidamente. Detecta comportamientos agresivos e identifica a las personas que se cuelan sin pagar.
    Redacción T21
  • La memoria universal promete revolucionar a la informática 12 febrero, 2024
    La memoria universal podría reemplazar tanto a la RAM como al almacenamiento interno en los ordenadores de uso masivo, brindando una alternativa más rápida y más eficiente a nivel energético. Un nuevo estudio muestra un posible enfoque revolucionario de la memoria universal: empleando un nuevo material denominado GST467, los investigadores apreciaron que la memoria mejora […]
    Pablo Javier Piacente
  • Los relámpagos volcánicos habrían encendido la llama de la vida en la Tierra primitiva 12 febrero, 2024
    Cuando la Tierra era joven y salvaje, los procesos en nuestro planeta transformaron una mezcla de ingredientes en lo necesario para impulsar la vida. Para esto es crucial el nitrógeno, un nutriente esencial para formar proteínas, aminoácidos y ácidos nucleicos. Los científicos han descubierto evidencias geológicas que indican que las descargas de rayos asociadas con […]
    Pablo Javier Piacente
  • La genética tiene mucho que decir sobre el asesinato de una madre adoptiva 12 febrero, 2024
    Según la genética, el comportamiento de los hijos adoptados está mayoritariamente influido por los padres biológicos, mientras que el parecido entre padres e hijos en una familia adoptiva es muy pequeño. Además, un hijo adoptado no tiene vínculos genéticos con su madre adoptiva y puede heredar ciertas maneras de pensar de sus padres biológicos, especialmente […]
    Eduardo Costas | Catedrático de la UCM y Académico de Farmacia
  • Europa logra un récord mundial de fusión nuclear 12 febrero, 2024
    En un importante logro científico, investigadores de la instalación Joint European Torus (JET) han establecido un récord energético mundial de 69 megajulios liberados en energía de fusión sostenida y controlada. Otro impulso para el futuro reactor europeo a gran escala ITER.
    Eduardo Martínez de la Fe
  • Un árbol fosilizado hace 350 millones de años sorprende a los científicos: parece alienígena 11 febrero, 2024
    Un fósil tridimensional de árboles más antiguos que los dinosaurios revela que los bosques de hace 350 millones de años eran extraños y alienígenas. Formaban parte de un bosquecillo que fue sepultado después de un terremoto.
    Redacción T21
  • El meteorito de Berlín resultó ser un raro objeto de origen ígneo 11 febrero, 2024
    El asteroide que se desintegró sobre Berlín a mediados de enero pertenece a un tipo raro de meteorito de origen ígneo. Se compone principalmente de silicatos de magnesio, enstatita y forsterita, además casi no contiene hierro y tiene una corteza vítrea translúcida.
    Redacción T21
  • Descubren un helecho tropical que transforma sus hojas muertas en nuevas raíces 9 febrero, 2024
    Para sobrevivir en el suelo anegado y bajo en nutrientes del bosque de Quebrada Chorro, en el oeste de Panamá, una especie de helecho tropical arborescente reutiliza sus hojas muertas, convirtiéndolas en nuevas raíces. Los científicos descubrieron que el helecho reconfigura estas “hojas zombis”, invirtiendo el flujo de agua para atraer nutrientes de regreso a […]
    Pablo Javier Piacente