Tutkimustyön tulokset julkaistiin Nature Communications-lehdessä. Suomen Akatemian rahoittamaa tutkimusta johti fysiikan professori Ilari Maasilta.
Teoreettisesti on tunnettu hyvin kauan, että lämmön voidaan ajatella muodostuvan aineessa monien erilaisten aaltojen liikkeestä eli atomit värähtelevät mutta eivät täysin satunnaisesti.
Nämä pienet aaltopaketit seuraavat kuitenkin kvanttimekaniikan lakeja, mikä lämpöliikkeen tapauksessa johtaa siihen, että suurin osa värähtelyenergiasta esiintyy tietyllä aallonpituusalueella, joka riippuu lämpötilasta.
Tilanne on hyvin samanlainen lämpösäteilyssä, jonka aaltopaketteja tai hiukkasia kutsutaan fotoneiksi; materiaalivärähtelyjen tapauksessa niitä kutsutaan fononeiksi. Fononien olemassaolon ennusti jo Albert Einstein yli sata vuotta sitten.
Fononien aaltoluonnetta ei ole käytetty hyödyksi lämmönsiirron kontrolloinnissa aikaisemmin. Tähän asti lämmönjohtavuutta on muutettu lisäämällä aineen sisälle toista materiaalia – esimerkiksi nanopartikkeleina – tai muuttamalla pinnan karheutta, jolloin fononit ikään kuin törmäilevät esteisiin ja johtavat huonommin lämpöä.
Nyt tutkimuksessa on ensi kertaa todennettu, että fononien lämmönjohtumista voidaan muuttaa hyvin voimakkaasti, mikä perustuu myös niiden aalto-ominaisuuksiin.
Tämä tapahtui siten, että valmistettiin nanoskaalan verkkorakenne, niin sanottu fononikide, jonka pituusmittakaava on samaa luokkaa kuin lämpöä kuljettavien fononien aallonpituus eli noin mikrometrin.
– Tällöin fononiaallot vuorovaikuttavat hyvin voimakkaasti rakenteen kanssa ja muuttavat etenemisnopeuttaan lähes kertaluokalla. Koska aallot etenevät paljon hitaammin, on lämmönjohtavuus myös paljon pienempi.
Kokeet tehtiin lähellä absoluuttista nollapistettä, jotta fononien aallonpituus olisi tarpeeksi pitkä verkkorakenteen valmistamiseksi.
Jatkossa osoitettua ideaa voidaan Maasillan mukaan kenties hyödyntää monella tavalla.
– Matalissa lämpötiloissa sovelluksia on suoraan erittäin herkkien säteilyilmaisinten kehitystyössä, joissa lämmön kontrollointi on oleellinen kysymys.
Tällaista soveltavaa työtä tehdään myös professori Maasillan ryhmässä.
– Jos idea saadaan toimimaan myös huoneenlämpötilassa, voi sillä olla suurta merkitystä parempien lämpösähköisten elementtien kehitystyössä, joiden avulla hukkalämmöstä voidaan tulevaisuudessa tuottaa täysin puhdasta sähköä.