准粒子可以显著提高热量发电的效率

热量的传导方式是否与电路控制电流的方式类似？根据一项新的研究，如果一种新的准粒子能够被有效地利用来制造一个可行的热开关，那么可能是的。

如今，几乎每一项技术都可以成为将电力用于生产目的的案例研究。使用合适的材料，热量可以产生不同的电流。然而，这项研究的资深作者、俄亥俄州立大学的物理学家和工程师Joseph Heremans表示，“与电流不同，热量到处流动，而且很难控制。”

然而，即使是一个不完美的热开关也可能对技术产生重大影响。例如，人类使用的70%以上的能源来自热量，例如内燃机。热开关可以提高各类热机的效率，例如太阳能热电厂，它们利用太阳的热量发电。

Heremans说：“发电回路的热力学效率主要取决于热储热器和冷储热器之间的温差。通过热开关和储热系统，可以将存储介质的温度保持在远高于热源的平均温度并接近其最高温度，这可以将系统的热效率提高一倍。”

例如，现代的热开关本质上几乎都是机械的，通过泵送气体来工作。随着时间的推移，它们的运动部件很容易因疲劳而失效。Heremans说，目前的固态热开关要么只在非常冷的温度下工作，要么基于在有限温度范围内工作的相变。

现在，对普通陶瓷的研究可能有一天会产生固态电控热开关，它可以在室温下以实用的方式工作。

研究人员分析了钛酸铅锆（PZT）材料。这种陶瓷是压电的，这意味着它可以将机械振动转换为电信号，反之亦然。

PZT是一种称为铁电体的压电物质。材料中的电荷分为正极和负极，在铁电体中，这些电偶极子通常是极化的，或者是沿相同方向排列的。电场可以改变这些偶极子的取向。

先前的研究表明，铁电体中的极化可以像准粒子涟漪一样移动，准粒子涟漪在原子晶格中移动，就像理论上称为铁子的粒子在空间中快速移动一样。类似的准粒子称为磁振子，可以影响磁性材料中的磁极。磁振子可以携带热量，这使得研究人员怀疑铁氧体是否也能控制热量。

现在，科学家们发现了铁子存在的第一个实验证据，并且这种准粒子确实可以携带热量。此外，他们的研究表明，铁电体对电场敏感，这表明铁电体可以作为热开关。

研究人员发现，这是一种叫做压电应变的效应，原子振动，即铁电体中的热可以对电场做出反应。当电压施加到铁电体上时，原子晶格可能收缩或拉伸，从而改变材料的机械性质及其导热性。

“我们发现声子（晶格中的振动波）可以由电场控制，”该研究的主要作者、俄亥俄州立大学的材料科学家Brandi Wooten说，“诀窍是找到合适的材料来承载所需的物质以实现这一点。跳出框框思考，尤其是使用旧的“传统”材料，可以产生新的有趣的结果。”

These four varying configurations of static and vibrating lattices [A–D] manifest in different dipole moments [graphs on right]. The presence of phonons, of course, affects the dipole moments of those lattices as well.

科学家们发现，向PZT施加电场可以使其起到热开关的作用，如他们所预测的那样，其最大导热率和最小导热率相差2%。在室温下，电场对热导率的影响是之前所见的四到五倍。结果证明非常一致。Wooten说：“该机制非常坚固可靠，非常适合在设备中使用。”

研究人员开发了一个理论模型来预测铁电体中的铁磁物质。他们现在正在寻找是否能找到热转换效应非常大的材料。

“现在我们有了预测理论，优化工作就可以开始了，”Heremans说，“当然，我们希望世界各地的更多团体来共同参与这项工作。”

Heremans表示，压电材料可能适合这种新型热开关技术的实际应用。“这不是白日梦，”他说。

Wooten说，常见的铁电体包括“广泛使用的、相对便宜的氧化物，这些氧化物不使用稀有材料，并且在市场上很容易获得”。他们预计，基于铁电体的热开关“由于材料成本以及易于在设备和基础设施中实施，将为热开关提供廉价的选择”。

本月早些时候，科学家们在Science Advances杂志上详细介绍了他们的发现。