فازون ها هدایت حرارتی کریستال های نامتناسب را افزایش می دهند

بینش جدیدی در مورد رفتار گرمایی عجیب و غریب فاسون ها - شبه ذراتی که در کریستال های نامتناسب یافت می شوند - توسط فیزیکدانان در ایالات متحده به دست آمده است. آزمایش های انجام شده توسط مایکل مانلی و همکارانش در آزمایشگاه ملی اوک ریج در تنسی نشان داده اند که چگونه این شبه ذرات نقش مهمی در انتقال گرما از طریق این مواد غیرعادی دارند.

فاسون ها شبه ذرات فونون مانندی هستند که از حرکات جمعی اتم ها در کریستال های نامتناسب به وجود می آیند. اینها موادی هستند که می توان آنها را با استفاده از دو یا چند زیرشبکه توصیف کرد، که در آن نسبت بین فاصله های تناوبی زیرشبکه ها اعداد صحیح نیستند. ایجاد و انتشار یک فازون مستلزم تغییر جهت نسبی (یا فاز) زیرشبکه ها است، از این رو نام شبه ذره را به خود اختصاص داده است.

در مواد کریستالی، شبه ذرات به نام فونون زمانی ایجاد می‌شوند که انرژی رسوب‌شده در ماده باعث ارتعاش اتم‌ها شود. فونون ها سپس می توانند از طریق شبکه حرکت کنند و گرما را با خود حمل کنند. در نتیجه، فونون ها در نحوه انتقال گرما در مواد نقش دارند - به ویژه در عایق هایی که گرمای کمی توسط الکترون ها هدایت می شود.

مدتی است که فیزیکدانان پیش‌بینی کرده‌اند که فاسون‌ها باید نقش کلیدی در افزایش جریان گرما از طریق کریستال‌های نامتناسب داشته باشند. در واقع، برخلاف فونون‌ها، فاسون‌ها می‌توانند سریع‌تر از سرعت صوت درون مواد حرکت کنند و باید کمتر از فونون‌ها پراکنده شوند – که هر دو باید توانایی‌های حمل گرما را افزایش دهند.

عمرهای ناشناخته

با این حال، کریستال های نامتناسب در طبیعت کمیاب هستند، بنابراین چندین ویژگی کلیدی فازون هنوز به خوبی درک نشده اند. این شامل طول عمر شبه ذرات و در نتیجه میانگین مسافتی است که آنها می توانند قبل از پراکندگی از یکدیگر طی کنند.

برای کشف این خواص، تیم مانلی یک کریستال نامتناسب به نام فرنویت را بررسی کردند. آنها آزمایش های پراکندگی نوترون های غیر کشسان را با استفاده از HYSPEC طیف سنج در Oak Ridge's منبع نوترون Spallation (شکل را ببین). نوترون ها یک کاوشگر ایده آل برای چنین مطالعه ای هستند زیرا با فاسون ها و فونون ها برهم کنش دارند. این تیم همچنین رسانایی حرارتی این ماده را اندازه گیری کرد. آزمایشات آنها تأیید کرد که فاسونها سهم عمده ای در جریان گرما از طریق فرنوایت دارند. در واقع، آنها دریافتند که سهم فاسون ها در رسانایی حرارتی مواد حدود 2.5 برابر بیشتر از فونون ها در دمای اتاق است.

شبه بلورهای بزرگ و بدون نقص را می‌توان با «خوددرمانی» ساخت

این تیم دریافتند که مسیر آزاد میانگین فازون تقریباً سه برابر طولانی‌تر از مسیر آزاد میانگین فونون است - که آنها به سرعت مافوق صوت فاسون‌ها مربوط می‌شوند. علاوه بر این، سهم فازون در هدایت حرارتی فرنوایت نزدیک به دمای اتاق است، که بسیار بالاتر از دمایی است که در آن سهم فونون به اوج می رسد.

مانلی و همکارانش امیدوارند که اکتشافات آنها بتواند فرصت‌های جدیدی را برای فرنوایت و سایر کریستال‌های نامتناسب در مدیریت حرارت پیشرفته و برنامه‌های کاربردی کنترل دما ایجاد کند. این مواد حتی می توانند در مدارهای منطق حرارتی استفاده شوند، که می توانند اطلاعات را از طریق جریان گرما منتقل کنند. در صورت ادغام با الکترونیک معمولی، چنین سیستم‌های ترکیبی می‌توانند برای بازیافت گرمای از دست رفته از طریق اتلاف، استفاده شوند و در نتیجه کارایی سیستم‌های محاسباتی مدرن را افزایش دهند.

تحقیق در شرح داده شده است Physical Review Letters به.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• پلاتوبلاک چین. Web3 Metaverse Intelligence. دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/phasons-boost-thermal-conductivity-of-incommensurate-crystals/