Fasonid suurendavad ebaproportsionaalsete kristallide soojusjuhtivust

USA füüsikud on saanud uusi teadmisi fasonite – kvaasiosakeste, mida võib leida ebaproportsionaalsetes kristallides – eksootilise termilise käitumise kohta. Läbiviidud katsed Michael Manley ja kolleegid Tennessee Oak Ridge'i riiklikust laborist on näidanud, kuidas need kvaasiosakesed mängivad olulist rolli soojuse transportimisel läbi nende ebatavaliste materjalide.

Fasonid on fononitaolised kvaasiosakesed, mis tekivad aatomite kollektiivsest liikumisest ebaproportsionaalsetes kristallides. Need on materjalid, mida saab kirjeldada kahe või enama alamvõre abil, kus alamvõrkude perioodiliste vahekauguste vahelised suhted ei ole täisarvud. Fasoni loomine ja levimine hõlmab alamvõrkude suhtelise orientatsiooni (või faasi) nihkumist, sellest ka kvaasiosakese nimi.

Kristallilistes materjalides tekivad kvaasiosakesed, mida nimetatakse fonoonideks, kui materjalis ladestunud energia paneb aatomid vibreerima. Fononid võivad seejärel liikuda läbi võre, kandes endaga soojust. Selle tulemusena mängivad fononid rolli soojuse ülekandmisel materjalides – eriti isolaatorites, kus elektronid juhivad vähe soojust.

Füüsikud on juba mõnda aega ennustanud, et fasonid peaksid mängima võtmerolli soojusvoo suurendamisel ebaproportsionaalsete kristallide kaudu. Tõepoolest, erinevalt fonoonidest võivad fasonid liikuda materjalide sees heli kiirusest kiiremini ja peaksid hajutama vähem kui fononid – mõlemad peaksid suurendama nende soojuskandmisvõimet.

Tundmatud elud

Kuid ebaproportsionaalsed kristallid on looduses haruldased, nii et mitmed peamised faasiomadused on endiselt halvasti mõistetavad. See hõlmab kvaasiosakeste eluiga ja sellest tulenevalt ka keskmist vahemaad, mille nad saavad läbida enne üksteise hajumist.

Nende omaduste uurimiseks uuris Manley meeskond ebaproportsionaalset kristalli nimega fresnoite. Nad viisid läbi mitteelastsete neutronite hajumise katseid, kasutades HYSPEC spektromeeter Oak Ridge's Spallatsioonineutroni allikas (vt joonist). Neutronid on selliseks uuringuks ideaalne sond, kuna nad interakteeruvad nii fasonite kui ka fonoonidega. Töörühm tegi ka materjali soojusjuhtivuse mõõtmisi. Nende katsed kinnitasid, et fasonid annavad suure panuse soojuse voolu läbi fresnoite. Tõepoolest, nad leidsid, et fasonite panus materjali soojusjuhtivusse on umbes 2.5 korda suurem kui fonoonidel toatemperatuuril.

Suuri, defektideta kvaasikristalle saab valmistada "iseparanemise" teel

Meeskond leidis, et fasoni keskmine vaba tee on umbes kolm korda pikem kui foononi keskmine vaba tee, mis on seotud fasonite ülehelikiirusega. Lisaks on fasoni panus fresnoite soojusjuhtivusse toatemperatuuri lähedal, mis on palju kõrgem kui temperatuur, mille juures fononi panus saavutab maksimumi.

Manley ja tema kolleegid loodavad, et nende avastused võivad avada uusi võimalusi fresnoite ja muude ebaproportsionaalsete kristallide jaoks täiustatud soojusjuhtimise ja temperatuuri reguleerimise rakendustes. Materjale võib isegi kasutada termilistes loogikaahelates, mis võivad soojusvoo kaudu teavet edastada. Kui selliseid hübriidsüsteeme integreeritakse tavapärase elektroonikaga, saaks neid kasutada hajumisel kaotatud soojuse taaskasutamiseks, suurendades seeläbi kaasaegsete arvutisüsteemide tõhusust.

Uuringut kirjeldatakse artiklis Physical Review Letters.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/phasons-boost-thermal-conductivity-of-incommensurate-crystals/