MaisConhecer - Estudo teórico demonstra existência de efeitos fotocalóricos gigantes em perovskitas ferroelétricas

Estudo teórico demonstra existência de efeitos fotocalóricos gigantes em perovskitas ferroelétricas

Esboço da transição de fase ferroelétrica para paraelétrica induzida por luz analisada em nosso estudo, que mostramos que pode ser usada para propósitos de refrigeração de estado sólido (por exemplo, o resfriamento de CPUs). Crédito: Rurali et al.

O resfriamento de estado sólido é uma técnica de resfriamento alternativa promissora que não depende do uso de gases ou líquidos, como sistemas de refrigeração convencionais, mas, em vez disso, utiliza as propriedades de materiais sólidos para refrigerar. Essa abordagem de resfriamento alternativa pode ser altamente eficiente em termos de energia e pode ajudar a refrigerar coisas sem liberar gases de efeito estufa no ar.

Apesar de seu potencial, descobriu-se que os efeitos calóricos convencionais são difíceis de implementar efetivamente em dispositivos de refrigeração do mundo real. Isso ocorre porque eles são apenas consideráveis dentro de uma faixa estreita de temperaturas e têm requisitos específicos que limitam as possibilidades dos sistemas de resfriamento resultantes.

Pesquisadores do Institut de Ciència de Materials de Barcelona e da Universitat Politècnica de Catalunya propuseram recentemente uma possível solução para superar as limitações dos sistemas de resfriamento de estado sólido existentes. Seu artigo, publicado na Physical Review Letters , demonstra teoricamente que algumas perovskitas ferroelétricas podem exibir efeitos fotocalóricos (PC) gigantes, que persistem em uma faixa muito mais ampla de temperaturas do que os efeitos calóricos convencionais.

"Nossa inspiração veio de duas fontes diferentes", disse Claudio Cazorla, coautor do artigo "Por um lado, estávamos cientes da possibilidade de induzir transições de fase em ferroelétricos ao lançar luz sobre eles e já havíamos explorado essa ideia para propor novos mecanismos de comutação térmica. Por outro lado, tínhamos interesse em resfriamento de estado sólido e materiais calóricos, que são promissores para substituir as atuais tecnologias de refrigeração baseadas em ciclos de compressão/descompressão de gases prejudiciais ao meio ambiente."

Materiais calóricos normalmente usados para realizar resfriamento de estado sólido passam por transições de fase sob campos externos. Essas transições mudam a entropia desses materiais e podem ser alavancadas para induzir refrigeração e bombeamento de calor.

Com base em seu interesse em materiais ferroelétricos e calóricos, Cazorla e seus colegas se propuseram a explorar a possível existência de efeitos de PC em materiais ferroelétricos, o que essencialmente permitiria o resfriamento em estado sólido por meio de irradiação de luz . O objetivo principal de seu estudo recente foi caracterizar teoricamente esses efeitos de PC e determinar se eles poderiam ser de interesse prático para o desenvolvimento de sistemas de refrigeração.

"Embora a ideia de induzir transições de fase em ferroelétricos com luz já exista há algum tempo, me deparei com ela aleatoriamente em um workshop em 2021", disse Riccardo Rurali, coautor do artigo, ao Phys.org.

"Ele imediatamente chamou minha atenção, porque pensei que poderia ser usado para projetar um interruptor térmico (meu principal 'negócio de pesquisa'), onde, por absorção de luz, seria possível alternar entre um estado de alta e baixa condutividade térmica. Felizmente, Claudio Cazorla percebeu que a mesma transição de fase induzida pela luz era acompanhada por uma enorme mudança na entropia e, portanto, poderia ser usado para projetar um ciclo de PC extremamente eficiente, que supera amplamente o interruptor térmico que propusemos anteriormente."

Os efeitos do PC podem ter várias vantagens sobre outros efeitos calóricos, como efeitos magnetocalóricos, eletrocalóricos e mecanocalóricos. O mais notável é que os efeitos do PC são consideráveis e podem ser explorados em uma faixa de temperatura muito mais ampla.

Na verdade, os efeitos descritos no artigo da equipe foram teoricamente demonstrados como permanecendo grandes em vastos intervalos de temperatura, da ordem de 100 K. Em contraste, os efeitos calóricos convencionais são ativos apenas em intervalos estreitos de temperatura da ordem de 10 K.

"A condição para que o efeito PC induzido pela luz funcione é que o sistema mude de um estado ferroelétrico para um paraelétrico, ou seja, ele perca sua polarização elétrica espontânea, mediante a absorção de luz", explicou Cazorla. "Portanto, o intervalo de temperatura em que os efeitos PC podem ser observados corresponde à faixa de temperatura em que o material é ferroelétrico, o que pode chegar a várias centenas de graus Kelvin."

Em seu artigo, Cazorla, Rurali e seus colegas preveem a existência de efeitos de PC em alguns materiais ferroelétricos. Notavelmente, esses efeitos são hipotetizados para ocorrer em apenas alguns materiais polares, incluindo os ferroelétricos arquetípicos BaTiO 3 e KNbO 3.

"O fato de que o campo de disparo [para] efeitos de PC é a absorção de luz implica que não há necessidade de depositar eletrodos nas superfícies do material ferroelétrico", disse Cazorla. "Isso pode simplificar muito o design e a fabricação da configuração prática correspondente. Além disso, os efeitos de PC são muito adequados para miniaturização, pois a fonte de luz necessária pode ser obtida com lasers."

Os efeitos do PC teoricamente demonstrados neste artigo recente poderão em breve ser examinados mais a fundo e sondados experimentalmente. Cazorla, Rurali e seus colegas sugerem que esses efeitos seriam particularmente adequados para aplicações de resfriamento em microescala, como a refrigeração de unidades centrais de processamento (CPUs) e outros componentes de circuito.

Além disso, como esses efeitos são hipotetizados para persistir em vastos intervalos de temperatura, variando da temperatura ambiente ao zero absoluto, eles também poderiam ser alavancados para atingir o resfriamento criogênico (ou seja, até temperaturas ultrabaixas). O resfriamento criogênico poderia, por sua vez, ser altamente valioso para a realização de tecnologias quânticas.

"No momento, estamos explorando famílias de materiais além dos ferroelétricos que também podem exibir transições de fase induzidas por luz com potencial para aplicações de resfriamento de estado sólido", disse Cazorla. "Além disso, estamos considerando o papel da dimensionalidade para trazer efeitos de PC para aplicações reais (por exemplo, materiais bidimensionais e filmes finos)."

Cazorla, Rurali e seus colegas estão agora conduzindo estudos adicionais visando avaliar melhor o potencial dos efeitos do PC que eles teorizaram, enquanto também consideram estratégias potenciais para alavancá-los em aplicações do mundo real. O estudo deles pode inspirar outras equipes a também explorar esses efeitos e seu potencial para melhorar o resfriamento de estado sólido .

"Percebemos que a carga fotoinduzida pode suprimir outros estados ordenados de carga que se acoplam à estrutura de rede", acrescentou Rurali. "Atualmente, estamos investigando materiais 2D que apresentam ondas de densidade de carga (CDW). Eles são especialmente promissores porque, devido à sua dimensionalidade, parecem ser mais adequados para absorver luz de forma eficiente."

Mais informações: Riccardo Rurali et al, Efeitos fotocalóricos gigantes em uma vasta faixa de temperatura em perovskitas ferroelétricas, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.116401 . No arXiv : DOI: 10.48550/arxiv.2404.05562

Informações do periódico: Physical Review Letters , arXiv

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