Il Magnetismo può controllare il calore, ed il suono

Tratto dal link origine : http://www.akosol.it/akosol-blog/i-magneti-possono-controllare-il-calore-ed-il-suono-un-esperimento-rivela-nuove-proprieta-misteriose-delle-onde-sonore

Original link : https://www.sciencedaily.com/releases/2015/05/150528153621.htm

I ricercatori hanno scoperto come controllare il calore con un campo magnetico. Lo studio è il primo a dimostrare che i fononi acustici – le particelle elementari che trasmettono sia il calore e il suono – hanno proprietà magnetiche.
Nell’edizione del 23 marzo della rivista Nature Materials, alcuni ricercatori descrivono come un campo magnetico, delle dimensioni simili a quello generato da una risonanza magnetica medica, ha ridotto la quantità di calore che fluisce attraverso un semiconduttore del 12 per cento. Lo studio è il primo a dimostrare che i fononi acustici – le particelle elementari che trasmettono sia il calore e il suono – hanno proprietà magnetiche.

“Questo aggiunge una nuova dimensione alla nostra comprensione delle onde acustiche,”, ha detto Joseph Heremans, Ohio Eminent Scholar in Nanotecnologia e professore di ingegneria meccanica presso la Ohio State. “Abbiamo dimostrato che possiamo dirigere il calore magneticamente. Con un campo magnetico sufficientemente forte, dovremmo essere in grado di guidare anche le onde sonore.”

“Ci si potrebbe sorprendere nell’apprendere che il calore ed il suono interagiscono, ed ancor più che possono essere entrambi controllati da magneti”, dichiara Heremans. “Ma si tratta di due diverse espressioni della medesima forma di energia, parlandone da un punto di vista inerente la meccanica quantistica. Quindi, qualsiasi forza che controlla l’uno dovrebbe controllare anche l’altro. Essenzialmente, il calore è prodotto dalla vibrazione degli atomi, e si diffonde attraverso i materiali dalle vibrazioni. Ed all’aumentare della temperatura del materiale aumenta la velocità alla quale gli atomi vibrano”.

“Anche il suono è prodotto dalla vibrazione degli atomi”, ha continuato. “Ed è attraverso le vibrazioni che ti parlo, perché le mie corde vocali comprimono l’aria e creano vibrazioni che viaggiano fino alle tue orecchie, che le traducono in suono.”

Il nome “Fononi” suona un po ‘come “Fotoni”. Ecco perché i ricercatori li considerano cugini: I fotoni sono particelle di luce, ed i fononi sono particelle di calore e di suono. Mentre i ricercatori hanno studiato i fotoni intensamente per un centinaio di anni – da quando Einstein scoprì l’effetto fotoelettrico – i fononi non hanno ricevuto la stessa attenzione, e quindi non si sa molto su di loro al di là delle loro proprietà relative al calore ed al suono.

Questo studio dimostra che i fononi hanno anche proprietà magnetiche. “Crediamo che queste proprietà generali siano presenti in qualsiasi solido”, ha detto Hyungyu Jin, ricercatore post dottorato della Ohio State e principale autore dello studio.

L’implicazione: in materiali come vetro, pietra, plastica – materiali che non sono convenzionalmente magnetici – il calore può essere controllato magneticamente, se si dispone di un magnete abbastanza potente. L’effetto sarebbe passato inosservato nei metalli, che trasmettono così tanto calore mediante gli elettroni che il calore trasportato dal fononi è trascurabile in confronto.

Non ci saranno applicazioni pratiche di questa scoperta in tempi brevi: magneti da 7 Tesla come quelli utilizzati nello corso dello studio non esistono al di fuori degli ospedali e dei laboratori, ed i semiconduttori sottoposti alla sperimentazione sono stati refrigerati a – 450 gradi Fahrenheit (- 268 gradi Celsius) – quindi a temperature molto vicine allo zero assoluto – per far sì che gli atomi del materiale esaminato rallentino al punto di permettere di vedere i movimenti dei fononi. “È per questo che l’esperimento è stato così difficile”, ha detto Jin, “poiché rilevare una misura termica ad una temperatura così bassa è difficile. Per farlo abbiamo utilizzato un attrezzo semiconduttore indio antimonide a forma di diapason sbilenco, con un braccio largo 4 mm e l’altro 1 mm., ed abbiamo innestato i riscaldatori alla base dei bracci”.

Link video : https://www.youtube.com/watch?v=hS5Imnlsz8o

“L’idea ha funzionato grazie ad una stranezza nel comportamento dei semiconduttori a basse temperature. Normalmente, la capacità di un materiale di trasferire calore dipenderebbe esclusivamente dal tipo di atomi di cui è fatto. Ma a bassissime temperature, come quelle utilizzati in questo esperimento, un altro fattore entra in gioco: la dimensione del campione utilizzato. In queste condizioni, un oggetto di maggiori dimensioni trasferisce il calore più velocemente di un oggetto, uguale per forma ma di dimensioni minori, fatto dello stesso materiale. Ciò significa che il braccio più grande del diapason potrebbe trasferire più calore rispetto al braccio minore.”

Heremans ne ha spiegato le ragioni:

“Immaginate che il diapason sia una pista, e che i fononi che vi scorrono a partire dalla base siano corridori in pista. I corridori che prendono il lato stretto della forcella hanno a malapena spazio sufficiente per passare tutti insieme, e continuano a sbattere contro le pareti della pista, che li rallenta. I corridori che prendono la carreggiata più larga possono correre più velocemente, perché hanno un sacco di spazio a disposizione. Dopo un tempo tutti avranno percorso l’intero tragitto attraverso il materiale, ma la domanda è a quali differenti velocità. Più collisioni avranno sperimentato nella loro corsa, più saranno andati lenti.”

Nell’esperimento, Jin ha misurato la variazione di temperatura nei due rami del diapason sottraendone uno dall’altro, sia prima che dopo aver applicato un campo magnetico Tesla 7. In assenza del campo magnetico, il braccio più grande del diapason ha trasferito più calore rispetto al braccio minore, così come si aspettavano i ricercatori. Ma in presenza del campo magnetico, il flusso di calore nel braccio grande ha rallentato del 12 per cento. Cosa è cambiato? Heremans ha detto che il campo magnetico ha sincronizzato la vibrazione dei fononi, facendo sì che urtassero l’uno nell’altro e quindi rallentassero, e tale effetto è stato identificato e quantificato mediante simulazioni al computer eseguite da Nikolas Antolin, Oscar Restrepo e Wolfgang Windl, tutti collaboratori del Dipartimento di Stato di Scienza dei Materiali e Ingegneria dell’Ohio.

Nel braccio più grande, la maggiore libertà di movimento ha lavorato contro i fononi, che in virtù di questa hanno sperimentato più collisioni. Un maggior numero di fononi stati stati dirottati, e sono stati di meno – il 12 per cento in meno – quelli passati indenni attraverso il materiale. I fononi hanno quindi reagito al campo magnetico, dimostrando che le particelle sono evidentemente sensibili al magnetismo. Il prossimo passo sarà quello di stabilire se è possibile deviare lateralmente le onde sonore mediante appositi campi magnetici.

Tratto dal link origine : http://www.akosol.it/akosol-blog/i-magneti-possono-controllare-il-calore-ed-il-suono-un-esperimento-rivela-nuove-proprieta-misteriose-delle-onde-sonore

Original link : https://www.sciencedaily.com/releases/2015/05/150528153621.htm