Fasoner øger den termiske ledningsevne af uhensigtsmæssige krystaller

Ny indsigt i den eksotiske termiske adfærd af fasoner - kvasipartikler, der kan findes i usammenhængende krystaller - er blevet opnået af fysikere i USA. Eksperimenter udført af Michael Manley and colleagues at Oak Ridge National Laboratory in Tennessee have shown how these quasiparticles play an in important role in transporting heat through these unusual materials.

Fasoner er fononlignende kvasipartikler, der opstår fra de kollektive bevægelser af atomer i usammenhængende krystaller. Det er materialer, der kan beskrives ved hjælp af to eller flere undergitter, hvor forholdet mellem undergitternes periodiske mellemrum ikke er heltal. Skabelsen og udbredelsen af ​​en fase involverer et skift i den relative orientering (eller fase) af subgitterne, deraf navnet på kvasipartikelen.

I krystallinske materialer dannes kvasipartikler kaldet fononer, når energi aflejret i materialet får atomer til at vibrere. Fononer kan derefter rejse gennem gitteret og bære varme med sig. Som et resultat spiller fononer en rolle i, hvordan varme overføres i materialer - især i isolatorer, hvor lidt varme ledes af elektroner.

I nogen tid har fysikere forudsagt, at fasoner skulle spille en nøglerolle i at øge varmestrømmen gennem uforholdsmæssige krystaller. Faktisk, i modsætning til fononer, kan fasoner rejse hurtigere end lydens hastighed inde i materialer og bør spredes mindre end fononer - som begge skulle forbedre deres varmebærende evner.

Ukendte levetider

However, incommensurate crystals are rare in nature, so several key phason characteristics are still poorly understood. This includes the lifetimes of the quasiparticles and, consequently, the average distance they can travel before scattering off each other.

For at udforske disse egenskaber undersøgte Manleys team en upassende krystal kaldet fresnoite. De udførte uelastiske neutronspredningsforsøg ved hjælp af HYSPEC spektrometer på Oak Ridge's Spallation Neutron Kilde (se figur). Neutroner er en ideel sonde til sådan en undersøgelse, fordi de interagerer med både fasoner og fononer. Holdet foretog også målinger af materialets varmeledningsevne. Deres eksperimenter bekræftede, at fasoner yder et stort bidrag til varmestrømmen gennem fresnoit. Faktisk fandt de ud af, at fasonernes bidrag til materialets varmeledningsevne er omkring 2.5 gange større end fononernes bidrag ved stuetemperatur.

Store, fejlfrie kvasikrystaller kunne fremstilles ved 'selvhelbredelse'

Holdet fandt ud af, at den gennemsnitlige frie vej for fase er omkring tre gange længere end den gennemsnitlige frie vej for fonon - hvilket de relaterer til fasenes supersoniske hastighed. Endvidere topper fasebidraget til fresnoites varmeledningsevne tæt på stuetemperatur, hvilket er meget højere end den temperatur, hvor fononbidraget topper.

Manley og kolleger håber, at deres opdagelser kan åbne nye muligheder for fresnoit og andre uforholdsmæssige krystaller i avanceret varmestyring og temperaturkontrolapplikationer. Materialerne kunne endda se brug i termiske logiske kredsløb, som kunne formidle information via varmestrømmen. Hvis de integreres med konventionel elektronik, kan sådanne hybridsystemer bruges til at genbruge varme, der er tabt gennem spredning, og derved øge effektiviteten af ​​moderne computersystemer.

Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/phasons-boost-thermal-conductivity-of-incommensurate-crystals/