I fasoni aumentano la conduttività termica dei cristalli incommensurabili

Nuovi approfondimenti sul comportamento termico esotico dei fasoni - quasiparticelle che possono essere trovate in cristalli incommensurabili - sono stati ottenuti dai fisici negli Stati Uniti. Esperimenti fatti da Michael Manley e colleghi dell'Oak Ridge National Laboratory nel Tennessee hanno dimostrato come queste quasiparticelle svolgano un ruolo importante nel trasporto del calore attraverso questi materiali insoliti.

I fasoni sono quasiparticelle simili a fononi che derivano dai moti collettivi degli atomi in cristalli incommensurabili. Si tratta di materiali che possono essere descritti utilizzando due o più sottoreticoli, dove i rapporti tra le spaziature periodiche dei sottoreticoli non sono numeri interi. La creazione e la propagazione di un fasone comporta uno spostamento nell'orientamento relativo (o fase) dei sottoreticoli, da cui il nome della quasiparticella.

Nei materiali cristallini, le quasiparticelle chiamate fononi vengono create quando l'energia depositata nel materiale fa vibrare gli atomi. I fononi possono quindi viaggiare attraverso il reticolo, portando con sé il calore. Di conseguenza, i fononi giocano un ruolo nel modo in cui il calore viene trasferito nei materiali, in particolare negli isolanti dove poco calore è condotto dagli elettroni.

Da tempo i fisici hanno previsto che i fasoni dovrebbero svolgere un ruolo chiave nell'aumentare il flusso di calore attraverso cristalli incommensurabili. In effetti, a differenza dei fononi, i fasoni possono viaggiare più velocemente della velocità del suono all'interno dei materiali e dovrebbero disperdere meno dei fononi, entrambi i quali dovrebbero migliorare le loro capacità di trasporto del calore.

Vite sconosciute

Tuttavia, i cristalli incommensurabili sono rari in natura, quindi diverse caratteristiche chiave dei fasoni sono ancora poco conosciute. Ciò include la vita media delle quasiparticelle e, di conseguenza, la distanza media che possono percorrere prima di diffondersi a vicenda.

Per esplorare queste proprietà, il team di Manley ha esaminato un cristallo incommensurabile chiamato fresnoite. Hanno eseguito esperimenti di diffusione di neutroni anelastici utilizzando il ISPEC spettrometro di Oak Ridge Sorgente di neutroni di spallazione (Guarda la figura). I neutroni sono una sonda ideale per un tale studio perché interagiscono sia con i fasoni che con i fononi. Il team ha anche effettuato misurazioni della conduttività termica del materiale. I loro esperimenti hanno confermato che i fasoni danno un contributo importante al flusso di calore attraverso la fresnoite. In effetti, hanno scoperto che il contributo dei fasoni alla conducibilità termica del materiale è circa 2.5 volte maggiore di quello dei fononi a temperatura ambiente.

I quasicristalli grandi e privi di difetti potrebbero essere prodotti mediante "auto-riparazione"

Il team ha scoperto che il percorso libero medio dei fasoni è circa tre volte più lungo del percorso libero medio dei fononi, che mettono in relazione con la velocità supersonica dei fasoni. Inoltre, il contributo del fasone alla conducibilità termica della fresnoite raggiunge il picco vicino alla temperatura ambiente, che è molto più alta della temperatura alla quale il contributo del fonone raggiunge il picco.

Manley e colleghi sperano che le loro scoperte possano aprire nuove opportunità per la fresnoite e altri cristalli incommensurabili in applicazioni avanzate di gestione del calore e controllo della temperatura. I materiali potrebbero persino vedere l'uso nei circuiti logici termici, che potrebbero trasmettere informazioni attraverso il flusso di calore. Se integrati con l'elettronica convenzionale, tali sistemi ibridi potrebbero essere utilizzati per riciclare il calore perso attraverso la dissipazione, aumentando così l'efficienza dei moderni sistemi informatici.

La ricerca è descritta in Physical Review Letters.

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