פאזונים מגבירים מוליכות תרמית של גבישים שאינם תואמים

תובנות חדשות לגבי ההתנהגות התרמית האקזוטית של פאזונים - קוואזי-חלקיקים שניתן למצוא בגבישים לא תואמים - הושגו על ידי פיזיקאים בארה"ב. ניסויים שנעשו על ידי מייקל מנלי ועמיתים במעבדה הלאומית של אוק רידג' בטנסי הראו כיצד חלקיקים למחצה ממלאים תפקיד חשוב בהעברת חום דרך חומרים יוצאי דופן אלו.

פאזונים הם קוואזי-חלקיקים דמויי פונון הנובעים מהתנועות הקולקטיביות של אטומים בגבישים לא תואמים. אלו חומרים שניתן לתאר באמצעות שניים או יותר תת-סריגים, כאשר היחסים בין המרווחים המחזוריים של התתי-סריגים אינם מספרים שלמים. יצירה והתפשטות של פאסון כרוכה בשינוי בכיוון היחסי (או הפאזה) של התת-סריגים, ומכאן שמו של הקוואזי-חלקיק.

בחומרים גבישיים, קוואזי-חלקיקים הנקראים פונונים נוצרים כאשר אנרגיה המושקעת בחומר גורמת לאטומים לרטוט. לאחר מכן פונונים יכולים לעבור דרך הסריג, לשאת איתם חום. כתוצאה מכך, פונונים ממלאים תפקיד בהעברת חום בחומרים - במיוחד במבודדים שבהם מעט חום מוליך על ידי אלקטרונים.

במשך זמן מה, פיסיקאים חזו כי פאזונים צריכים למלא תפקיד מפתח בהגברת זרימת החום דרך גבישים שאינם תואמים. ואכן, בניגוד לפונונים, פאזונים יכולים לנוע מהר יותר ממהירות הקול בתוך חומרים וצריכים להתפזר פחות מפונונים - שניהם אמורים לשפר את יכולות נשיאת החום שלהם.

תקופות חיים לא ידועות

עם זאת, גבישים שאינם תואמים הם נדירים בטבעם, כך שכמה מאפיינים מרכזיים של פאזון עדיין אינם מובנים. זה כולל את משך החיים של הקוואזי-חלקיקים, וכתוצאה מכך, את המרחק הממוצע שהם יכולים לעבור לפני שהם מתפזרים זה מזה.

כדי לחקור את המאפיינים הללו, הצוות של מנלי בחן גביש לא תואם בשם פרזנואיט. הם ביצעו ניסויים בפיזור נויטרונים לא אלסטי באמצעות ה HYSPEC ספקטרומטר ב-Oak Ridge's מקור ניוטרונים של ספלציה (תראה צורה). ניוטרונים הם בדיקה אידיאלית למחקר כזה מכיוון שהם מקיימים אינטראקציה עם פאזונים ופונונים כאחד. הצוות גם ביצע מדידות של מוליכות תרמית של החומר. הניסויים שלהם אישרו שלפאזונים תרומה גדולה לזרימת החום דרך פרזנואיט. ואכן, הם גילו שתרומת הפאזונים למוליכות התרמית של החומר גדולה פי 2.5 בערך מזו של פונונים בטמפרטורת החדר.

ניתן ליצור קוואזי-גבישים גדולים ללא פגמים על ידי 'ריפוי עצמי'

הצוות מצא שהנתיב החופשי הממוצע של הפאסון ארוך בערך פי שלושה מהנתיב החופשי הממוצע של הפונון - שהם מתייחסים למהירות העל-קולית של הפאזונים. יתרה מזאת, תרומת הפאזון למוליכות התרמית של Fresnoite מגיעה לשיא קרוב לטמפרטורת החדר, שהיא הרבה יותר גבוהה מהטמפרטורה שבה תרומת הפונון מגיעה לשיא.

מנלי ועמיתיו מקווים שהתגליות שלהם יוכלו לפתוח הזדמנויות חדשות עבור פרזנואיט וגבישים אחרים שאינם תואמים ביישומי ניהול חום ובקרת טמפרטורה מתקדמים. החומרים יכולים אפילו לראות שימוש במעגלים לוגיים תרמיים, שיכולים להעביר מידע באמצעות זרימת החום. אם משולבים עם אלקטרוניקה קונבנציונלית, ניתן להשתמש במערכות היברידיות כאלה כדי למחזר חום שאבד באמצעות פיזור, ובכך להגביר את היעילות של מערכות מחשוב מודרניות.

המחקר מתואר ב מכתבי סקירה פיזית.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/phasons-boost-thermal-conductivity-of-incommensurate-crystals/