¿Cómo afectan las temperaturas negativas a la conductividad térmica en metales puros como el cobre, plata y aluminio?

Desde un punto de vista teórico, podemos discutir los diferentes procesos responsables de la conductividad térmica en metales.

Hay dos mecanismos básicos: conducción de calor por electrones y conducción térmica a través de vibraciones reticulares. El primero domina al segundo a temperaturas comunes. Es causada por el movimiento aleatorio de un gas de electrones (muy cerca de un gas ideal en un metal puro). Los electrones de las regiones más calientes se mueven más rápido, y cada vez que golpean electrones de las regiones más frías, transfieren, en promedio, parte de su impulso y energía a estos electrones más fríos, en efecto transportando calor. Pero, ¿qué pasa si un electrón no interactúa con otro electrón, sino con una vibración reticular? Imparte parte de su impulso y energía a esta vibración reticular (llamada fonón cuando se cuantifica), creando calor. En lugar de que el calor sea transportado por los electrones, permanece fijo (en términos relativos), disminuyendo la conductividad térmica. Las vibraciones del enrejado disminuyen con la temperatura, razón por la cual la conductividad total de un metal aumenta con una temperatura decreciente, ya que esto disminuye la dispersión de fonones del gas electrónico.

Pero a temperaturas muy bajas, los electrones se mueven lentamente y la red no vibra tanto. Se suprimen los principales mecanismos de transferencia de energía. A temperatura cero, no esperaría que se transfiriera calor, ya que todo está congelado. En algún momento, al disminuir la temperatura, el efecto negativo del número reducido de interacciones entre los electrones o entre las vibraciones reticulares se vuelve significativo y reduce el efecto positivo de una baja tasa de dispersión de fonones. A pesar de que los electrones pueden moverse casi sin restricciones por la red a temperaturas muy bajas, son demasiado lentos para interactuar con otros electrones de manera significativa. Y las vibraciones reticulares también se suprimen, reduciendo drásticamente la conductividad térmica total cuando se acerca a cero K.

Las otras respuestas aquí han hablado sobre la dependencia de la temperatura de la conductividad térmica de los metales puros y los mecanismos responsables de eso. Sin embargo, la pregunta es específicamente qué sucede de manera única por debajo de 0 ° C que afecta la conductividad térmica de los metales. La respuesta a eso es nada. No hay nada especial en 0 ° C además de ser el punto de fusión del hielo a presión atmosférica.

Como se puede ver por la dependencia de la temperatura de la conductividad térmica de un metal puro, debe alcanzar temperaturas de aproximadamente 30K antes de ver una diferencia en la tendencia. Tanto por encima de ~ 30K (no es un número único y depende del metal) ves que la conductividad térmica disminuye. En el lado de la temperatura más alta que se debe a la dispersión de electrón-fonón y fonón-fonón. En el lado de la temperatura más baja, esto se debe a que se ocupan cada vez menos estados de energía o modos de fonón y, por lo tanto, la contribución a la conductividad térmica del fonón disminuye. Las interacciones electrón-electrón también son más lentas y afectan la contribución electrónica.

Al ser un poco pedantes y expandirse al usar 0 ° C como referencia, las temperaturas negativas tienen un uso legítimo en la escala Kelvin (T <0K). Si bien esta no es una "temperatura" real per se, la frase todavía se usa para referirse a sistemas cuánticos sin equilibrio donde los niveles de energía más altos están ocupados más que los niveles de energía más bajos. Esto es una consecuencia de cómo se define la temperatura en la mecánica estadística y la sustancia con temperatura negativa no es realmente más fría que el 0 absoluto.