In laboratoria over de hele wereld begon de warmtestroom in kristallen plotseling af te wijken onder invloed van een magnetisch veld — en dat gebeurde niet in exotische materialen, maar in de meest gewone halfgeleiders en isolatoren, zoals silicium, germanium en magnesiumoxide.
Het gaat om het fononische thermische Hall-effect: quasideeltjes die de trillingen van het atoomrooster beschrijven, veroorzaken onder invloed van een magnetisch veld een transversale warmtestroom. Voorheen werd aangenomen dat dergelijk gedrag alleen kenmerkend was voor materialen met magnetische of topologische eigenschappen, waar spins of bijzondere excitaties een rol spelen.
Nieuwe metingen hebben aangetoond dat het effect universeel optreedt — in een brede klasse van niet-magnetische kristallen. Daarbij schaalt de grootte van de transversale warmtegeleiding met het kwadraat van de longitudinale, wat wijst op een directe wisselwerking van de atoomtrillingen met het magnetische veld, zonder tussenkomst van andere quasideeltjes.
Deze ontdekking dwingt tot een herziening van de fundamentele opvattingen over hoe fononen zich in een magnetisch veld gedragen. Waar warmtetransport voorheen in gewone materialen als hoofdzakelijk scalair en ongevoelig voor magnetische invloeden werd beschouwd, moet nu rekening worden gehouden met een nieuwe vrijheidsgraad — de elliptische polarisatie van fononen en hun wisselwerking met een extern veld.
Voor praktische toepassingen betekent dit dat in toekomstige thermo-elektrische apparaten en koelsystemen de warmtestroom niet alleen via een temperatuurgradiënt, maar ook via een zwak magnetisch veld kan worden gestuurd. Dergelijke materialen worden al in de elektronica gebruikt, en het effect kan van invloed zijn op de berekening van de thermische regimes van chips.
De experimenten werden uitgevoerd op hoogwaardige monsters waarin de bijdrage van ladingsdragers minimaal was, waardoor het zuiver fononische mechanisme kon worden geïsoleerd. De resultaten komen overeen met theoretische modellen die de universaliteit van het verschijnsel voorspellen voor kristallen met discrete symmetrie.
Zo wordt het vertrouwde beeld van gecondenseerde materie, waarin fononen als ‘eenvoudige’ warmtedragers golden, complexer — en opent het de weg naar nieuwe manieren om warmtestromen op microscopisch niveau te beheersen.
