在这种材料中，电子在真空和大多数其他材料中都有质量，它们像无质量的光子或光一样运动——这是一种意想不到的行为，但理论上预测了这种现象的存在。该合金是根据基础理论在精确范围内用铋和锑元素设计的。

研究人员发现，在外部磁场的影响下，这些行为奇怪的电子以正常情况下看不到的方式操纵热量。在材料的冷热两面，一些电子产生热量或能量，而另一些则吸收能量，有效地将材料转变为能量泵。结果是:导热系数提高了300%。

把磁铁拿掉，机械装置就关闭了。

“产生和吸收形成了异常，”该研究的资深作者、俄亥俄州立大学机械和航空航天工程教授、俄亥俄纳米技术杰出学者约瑟夫·赫尔曼斯说。“热量消失了，在其他地方重新出现——就像瞬间移动一样。它只发生在量子理论预测的非常特定的情况下。”

这种特性，以及用磁铁控制它的简单性，使这种材料成为不需要移动部件的热开关的理想选择，类似于开关电流的晶体管或开关水的水龙头，可以冷却计算机或提高太阳能热电厂的效率。

“没有活动部件的固态热开关是非常理想的，但它们并不存在，”Heremans说。“这是导致这种情况发生的可能机制之一。”

这项研究今天(2021年6月7日)发表在该杂志上自然材料。

铋锑合金属于一类被称为Weyl半金属的量子材料，其电子的行为与预期的不同。它们的特性分别包括带负电和带正电的粒子、电子和空穴，它们表现为“无质量”粒子。它们也是拓扑材料的一部分，它们的电子反应就好像材料包含内部磁场，使这些粒子能够沿着新的路径移动。

在物理学中，一种异常——在这项研究中发现的电子产生和吸收热量——指的是经典世界中存在的某些对称性，但在量子世界中被打破，研究合著者、俄亥俄州立大学物理学教授南迪尼·特里维迪(Nandini Trivedi)说。

铋合金和其他类似材料也具有像大多数金属一样的经典传导特性，即晶格中振动的原子和电子的运动携带热量。Trivedi描述了这条新路径，在这条路径上，类光电子在它们之间操纵热量，就像一条不知从哪里冒出来的高速公路。

“想象一下，如果你住在一个道路狭窄的小镇上，突然有一条高速公路开通了，”她说。“只有当你在一个方向上施加热梯度并在同一方向上施加磁场时，这条特殊的途径才会打开。所以你可以很容易地关闭高速公路把磁场放在一个垂直的方向。

“普通金属中不存在这样的高速公路。”

当像铜这样的金属被加热时，电子从热端流向冷端，热量和电荷一起运动。由于这条高速公路在实验性的Weyl半金属材料中打开的方式，没有净电荷运动——只有能量运动。某些电子对热量的吸收代表了手性或方向性的中断，这意味着有可能在两个不会相互作用的粒子之间泵送能量——这是Weyl半金属的另一个特征。

参与这项研究的理论物理学家和工程师预测，这些特性存在于特定的铋合金和其他拓扑材料中。在这些实验中，科学家们构建了专门的合金来测试他们的预测。

“我们努力合成正确的材料，这是我们从头开始设计的，以显示这种效果。重要的是要将其净化到低于你在自然界中发现的杂质水平，”赫曼斯说。在合成过程中，这种合金将背景导电性降到最低，这样研究人员就可以探测到无质量电子的行为，即Weyl费米子。

“在普通材料中，电子会拖着一块小磁铁四处移动。然而，这些铋合金的特殊电子结构意味着电子在磁铁周围拖动的大小几乎是正常磁铁的50倍，”爱荷华大学物理学和天文学教授、研究报告的合著者迈克尔·弗拉特尔说。爱博网站“这些巨大的亚原子磁体允许使用实验室磁场形成新的电子状态。

“这些结果表明，用于高能物理和亚原子粒子理论的理论通常可以在专门设计的电子材料中实现。”

赫曼斯说，就像所有的量子事物一样，“我们观察到的东西看起来有点像魔术，但这正是我们的方程所说的，也是我们通过实验证明的。”

需要注意的是:这种材料的机制只能在零下100华氏度的低温下工作。现在了解了基本原理，研究人员在开发潜在应用时有了很多选择。

赫曼斯说:“现在我们知道要寻找什么样的材料，需要什么样的纯度。”“这就是我们如何从发现一种物理现象变成一种工程材料。”

这项工作得到了俄亥俄州立紧急材料中心的支持，该中心是国家科学基金会材料研究科学与工程中心。