Les phases augmentent la conductivité thermique des cristaux incommensurables

De nouvelles connaissances sur le comportement thermique exotique des phasons – des quasi-particules que l'on peut trouver dans des cristaux incommensurables – ont été obtenues par des physiciens aux États-Unis. Des expériences faites par Michael Manley et des collègues du laboratoire national d'Oak Ridge au Tennessee ont montré comment ces quasi-particules jouent un rôle important dans le transport de la chaleur à travers ces matériaux inhabituels.

Les phasons sont des quasi-particules de type phonon qui résultent des mouvements collectifs d'atomes dans des cristaux incommensurables. Ce sont des matériaux qui peuvent être décrits en utilisant deux ou plusieurs sous-réseaux, où les rapports entre les espacements périodiques des sous-réseaux ne sont pas des entiers. La création et la propagation d'un phason impliquent un déplacement de l'orientation relative (ou phase) des sous-réseaux, d'où le nom de quasi-particule.

Dans les matériaux cristallins, des quasi-particules appelées phonons sont créées lorsque l'énergie déposée dans le matériau fait vibrer les atomes. Les phonons peuvent alors voyager à travers le réseau, emportant de la chaleur avec eux. En conséquence, les phonons jouent un rôle dans la façon dont la chaleur est transférée dans les matériaux - en particulier dans les isolants où peu de chaleur est conduite par les électrons.

Depuis un certain temps, les physiciens ont prédit que les phasons devraient jouer un rôle clé dans l'amélioration du flux de chaleur à travers des cristaux incommensurables. En effet, contrairement aux phonons, les phasons peuvent se déplacer plus rapidement que la vitesse du son à l'intérieur des matériaux et devraient diffuser moins que les phonons, ce qui devrait améliorer leurs capacités de transport de chaleur.

Durées de vie inconnues

Cependant, les cristaux incommensurables sont rares dans la nature, de sorte que plusieurs caractéristiques clés de la phase sont encore mal comprises. Cela inclut la durée de vie des quasiparticules et, par conséquent, la distance moyenne qu’elles peuvent parcourir avant de se disperser.

Pour explorer ces propriétés, l'équipe de Manley a examiné un cristal incommensurable appelé fresnoite. Ils ont réalisé des expériences de diffusion inélastique des neutrons en utilisant le HYSPÉC spectromètre sur Oak Ridge Source de neutrons de spallation (voir figure). Les neutrons sont une sonde idéale pour une telle étude car ils interagissent à la fois avec les phasons et les phonons. L'équipe a également effectué des mesures de la conductivité thermique du matériau. Leurs expériences ont confirmé que les phasons apportent une contribution majeure au flux de chaleur à travers la fresnoite. En effet, ils ont constaté que la contribution des phasons à la conductivité thermique du matériau est environ 2.5 fois supérieure à celle des phonons à température ambiante.

De grands quasi-cristaux sans défaut pourraient être fabriqués par "auto-guérison"

L'équipe a découvert que le libre parcours moyen des phasons est environ trois fois plus long que le libre parcours moyen des phonons, qu'ils relient à la vitesse supersonique des phasons. De plus, la contribution des phasons à la conductivité thermique de la fresnoite culmine à proximité de la température ambiante, ce qui est beaucoup plus élevé que la température à laquelle la contribution des phonons culmine.

Manley et ses collègues espèrent que leurs découvertes pourraient ouvrir de nouvelles opportunités pour la fresnoite et d'autres cristaux incommensurables dans les applications avancées de gestion de la chaleur et de contrôle de la température. Les matériaux pourraient même être utilisés dans des circuits logiques thermiques, qui pourraient transmettre des informations via le flux de chaleur. S'ils sont intégrés à l'électronique conventionnelle, ces systèmes hybrides pourraient être utilisés pour recycler la chaleur perdue par dissipation, augmentant ainsi l'efficacité des systèmes informatiques modernes.

La recherche est décrite dans Physical Review Letters.

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