Phasonen erhöhen die Wärmeleitfähigkeit von inkommensurablen Kristallen

Neue Einblicke in das exotische thermische Verhalten von Phasonen – Quasiteilchen, die in inkommensurablen Kristallen zu finden sind – haben Physiker in den USA gewonnen. Experimente durchgeführt von Michael Manley und Kollegen vom Oak Ridge National Laboratory in Tennessee haben gezeigt, wie diese Quasiteilchen eine wichtige Rolle beim Wärmetransport durch diese ungewöhnlichen Materialien spielen.

Phasonen sind phononartige Quasiteilchen, die aus den kollektiven Bewegungen von Atomen in inkommensurablen Kristallen entstehen. Dies sind Materialien, die durch zwei oder mehr Untergitter beschrieben werden können, wobei die Verhältnisse zwischen den periodischen Abständen der Untergitter nicht ganzzahlig sind. Die Erzeugung und Ausbreitung eines Phasons beinhaltet eine Verschiebung der relativen Orientierung (oder Phase) der Untergitter, daher der Name des Quasiteilchens.

In kristallinen Materialien entstehen Quasiteilchen, sogenannte Phononen, wenn im Material deponierte Energie Atome zum Schwingen bringt. Phononen können dann durch das Gitter wandern und Wärme mit sich führen. Daher spielen Phononen eine Rolle bei der Wärmeübertragung in Materialien – insbesondere in Isolatoren, wo Elektronen wenig Wärme leiten.

Physiker sagen seit einiger Zeit voraus, dass Phasonen eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung des Wärmeflusses durch inkommensurable Kristalle spielen sollten. Tatsächlich können sich Phasonen im Gegensatz zu Phononen schneller als die Schallgeschwindigkeit in Materialien bewegen und sollten weniger streuen als Phononen – beides sollte ihre Wärmeleitfähigkeit verbessern.

Unbekannte Lebenszeiten

Allerdings kommen inkommensurable Kristalle in der Natur selten vor, sodass einige wichtige Phasoneigenschaften noch immer kaum verstanden sind. Dazu gehört die Lebensdauer der Quasiteilchen und damit die durchschnittliche Distanz, die sie zurücklegen können, bevor sie aneinander streuen.

Um diese Eigenschaften zu erforschen, untersuchte Manleys Team einen inkommensurablen Kristall namens Fresnoit. Sie führten Experimente zur inelastischen Neutronenstreuung durch HYSPEK Spektrometer auf Oak Ridge Spallations-Neutronenquelle (Siehe Abbildung). Neutronen sind eine ideale Sonde für eine solche Studie, da sie sowohl mit Phasonen als auch mit Phononen interagieren. Das Team führte auch Messungen der Wärmeleitfähigkeit des Materials durch. Ihre Experimente bestätigten, dass Phasonen einen großen Beitrag zum Wärmefluss durch Fresnoit leisten. Tatsächlich fanden sie heraus, dass der Beitrag der Phasonen zur Wärmeleitfähigkeit des Materials etwa 2.5-mal größer ist als der von Phononen bei Raumtemperatur.

Große, defektfreie Quasikristalle könnten durch „Selbstheilung“ hergestellt werden

Das Team fand heraus, dass der mittlere freie Weg des Phasons etwa dreimal länger ist als der mittlere freie Weg des Phonons – was sie mit der Überschallgeschwindigkeit der Phasons in Beziehung setzen. Darüber hinaus erreicht der Phason-Beitrag zur Wärmeleitfähigkeit von Fresnoit seinen Höhepunkt nahe der Raumtemperatur, was viel höher ist als die Temperatur, bei der der Phonon-Beitrag seinen Höhepunkt erreicht.

Manley und seine Kollegen hoffen, dass ihre Entdeckungen neue Möglichkeiten für Fresnoite und andere unangemessene Kristalle in fortschrittlichen Wärmemanagement- und Temperaturkontrollanwendungen eröffnen könnten. Die Materialien könnten sogar in thermischen Logikschaltkreisen verwendet werden, die Informationen über den Wärmefluss übermitteln könnten. Wenn sie in herkömmliche Elektronik integriert werden, könnten solche Hybridsysteme verwendet werden, um durch Ableitung verlorene Wärme zu recyceln und dadurch die Effizienz moderner Computersysteme zu steigern.

Die Forschung ist beschrieben in Physical Review Letters.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/phasons-boost-thermal-conductivity-of-incommensurate-crystals/