Οι φάσες ενισχύουν τη θερμική αγωγιμότητα απαράμιλλων κρυστάλλων

Νέες γνώσεις σχετικά με την εξωτική θερμική συμπεριφορά των φασόνων -οιονεί σωματιδίων που μπορούν να βρεθούν σε απαράμιλλους κρυστάλλους- έχουν αποκτήσει φυσικοί στις ΗΠΑ. Πειράματα που έγιναν από Μάικλ Μάνλεϊ και συνάδελφοι στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στο Τενεσί έχουν δείξει πώς αυτά τα οιονεί σωματίδια παίζουν σημαντικό ρόλο στη μεταφορά θερμότητας μέσω αυτών των ασυνήθιστων υλικών.

Οι φάσονες είναι οιονεί σωματίδια που μοιάζουν με φωνόνια που προκύπτουν από τις συλλογικές κινήσεις των ατόμων σε απαράμιλλους κρυστάλλους. Αυτά είναι υλικά που μπορούν να περιγραφούν χρησιμοποιώντας δύο ή περισσότερα υποπλέγματα, όπου οι αναλογίες μεταξύ των περιοδικών αποστάσεων των υποδικτυωμάτων δεν είναι ακέραιοι. Η δημιουργία και η διάδοση ενός φάσονα περιλαμβάνει μια μετατόπιση του σχετικού προσανατολισμού (ή φάσης) των υποδικτυωμάτων, εξ ου και το όνομα του οιονεί σωματιδίου.

Στα κρυσταλλικά υλικά, τα οιονεί σωματίδια που ονομάζονται φωνόνια δημιουργούνται όταν η ενέργεια που εναποτίθεται στο υλικό προκαλεί δόνηση των ατόμων. Τα φωνόνια μπορούν στη συνέχεια να ταξιδέψουν μέσα από το πλέγμα, μεταφέροντας θερμότητα μαζί τους. Ως αποτέλεσμα, τα φωνόνια παίζουν ρόλο στον τρόπο μεταφοράς της θερμότητας στα υλικά - ιδιαίτερα σε μονωτές όπου λίγη θερμότητα μεταδίδεται από ηλεκτρόνια.

Για αρκετό καιρό, οι φυσικοί έχουν προβλέψει ότι οι φασώνες θα πρέπει να διαδραματίσουν βασικό ρόλο στην ενίσχυση της ροής της θερμότητας μέσω απαράμιλλων κρυστάλλων. Πράγματι, σε αντίθεση με τα φωνόνια, οι φασώνες μπορούν να ταξιδεύουν ταχύτερα από την ταχύτητα του ήχου μέσα στα υλικά και θα πρέπει να διασκορπίζονται λιγότερο από τα φωνόνια - και τα δύο θα πρέπει να ενισχύσουν τις ικανότητές τους στη μεταφορά θερμότητας.

Άγνωστες ζωές

Ωστόσο, οι ασύμμετροι κρύσταλλοι είναι σπάνιοι στη φύση, επομένως αρκετά βασικά χαρακτηριστικά των φασόνων εξακολουθούν να είναι ελάχιστα κατανοητά. Αυτό περιλαμβάνει τη διάρκεια ζωής των οιονεί σωματιδίων και, κατά συνέπεια, τη μέση απόσταση που μπορούν να διανύσουν πριν διασκορπιστούν το ένα από το άλλο.

Για να εξερευνήσει αυτές τις ιδιότητες, η ομάδα του Manley εξέτασε έναν απαράμιλλο κρύσταλλο που ονομάζεται fresnoite. Έκαναν πειράματα ανελαστικής σκέδασης νετρονίων χρησιμοποιώντας το ΥΣΠΕΚ φασματόμετρο στο Oak Ridge's Πηγή νετρονίων Spallation (βλ. εικόνα). Τα νετρόνια είναι ένας ιδανικός ανιχνευτής για μια τέτοια μελέτη επειδή αλληλεπιδρούν τόσο με φασώνες όσο και με φωνόνια. Η ομάδα έκανε επίσης μετρήσεις της θερμικής αγωγιμότητας του υλικού. Τα πειράματά τους επιβεβαίωσαν ότι οι φασώνες συμβάλλουν σημαντικά στη ροή της θερμότητας μέσω του fresnoite. Πράγματι, διαπίστωσαν ότι η συμβολή των φασόνων στη θερμική αγωγιμότητα του υλικού είναι περίπου 2.5 φορές μεγαλύτερη από αυτή των φωνονίων σε θερμοκρασία δωματίου.

Μεγάλοι, χωρίς ελαττώματα οιονεί κρύσταλλοι θα μπορούσαν να δημιουργηθούν με «αυτοίαση»

Η ομάδα διαπίστωσε ότι η μέση ελεύθερη διαδρομή των φασόνων είναι περίπου τρεις φορές μεγαλύτερη από τη μέση ελεύθερη διαδρομή των φωνονίων – την οποία σχετίζονται με την υπερηχητική ταχύτητα των φασόνων. Επιπλέον, η συμβολή του φασονίου στη θερμική αγωγιμότητα του fresnoite κορυφώνεται κοντά στη θερμοκρασία δωματίου, η οποία είναι πολύ υψηλότερη από τη θερμοκρασία στην οποία κορυφώνεται η συμβολή του φωνονίου.

Ο Manley και οι συνάδελφοί τους ελπίζουν ότι οι ανακαλύψεις τους θα μπορούσαν να ανοίξουν νέες ευκαιρίες για το fresnoite και άλλους απαράμιλλους κρυστάλλους σε προηγμένες εφαρμογές διαχείρισης θερμότητας και ελέγχου θερμοκρασίας. Τα υλικά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ακόμη και σε θερμικά λογικά κυκλώματα, τα οποία θα μπορούσαν να μεταφέρουν πληροφορίες μέσω της ροής της θερμότητας. Εάν ενσωματωθούν με συμβατικά ηλεκτρονικά, τέτοια υβριδικά συστήματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την ανακύκλωση της θερμότητας που χάνεται μέσω της διάχυσης, ενισχύοντας έτσι την απόδοση των σύγχρονων υπολογιστικών συστημάτων.

Η έρευνα περιγράφεται στο Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/phasons-boost-thermal-conductivity-of-incommensurate-crystals/