Phasonen verhogen de thermische geleidbaarheid van onevenredige kristallen

Nieuwe inzichten in het exotische thermische gedrag van fasonen - quasideeltjes die kunnen worden gevonden in incommensurate kristallen - zijn verkregen door natuurkundigen in de VS. Experimenten gedaan door Michael Manley en collega's van het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee hebben aangetoond hoe deze quasideeltjes een belangrijke rol spelen bij het transport van warmte door deze ongebruikelijke materialen.

Phasonen zijn fononachtige quasideeltjes die voortkomen uit de collectieve bewegingen van atomen in ongelijksoortige kristallen. Dit zijn materialen die kunnen worden beschreven met behulp van twee of meer subroosters, waarbij de verhoudingen tussen de periodieke afstanden van de subroosters geen gehele getallen zijn. De creatie en voortplanting van een phason brengt een verschuiving met zich mee in de relatieve oriëntatie (of fase) van de subroosters, vandaar de naam van het quasideeltje.

In kristallijne materialen worden quasideeltjes, fononen genaamd, gecreëerd wanneer energie die in het materiaal wordt afgezet ervoor zorgt dat atomen gaan trillen. Fononen kunnen dan door het rooster reizen en warmte met zich meedragen. Dientengevolge spelen fononen een rol in de manier waarop warmte wordt overgedragen in materialen - vooral in isolatoren waar weinig warmte wordt geleid door elektronen.

Natuurkundigen hebben al enige tijd voorspeld dat fasonen een sleutelrol zouden moeten spelen bij het verbeteren van de warmtestroom door onevenredige kristallen. In tegenstelling tot fononen kunnen fasonen inderdaad sneller reizen dan de geluidssnelheid in materialen en zouden ze minder moeten verstrooien dan fononen - die beide hun warmtedragende vermogen zouden moeten verbeteren.

Onbekende levens

Incommensurabele kristallen zijn echter zeldzaam van aard, dus verschillende belangrijke fasekenmerken worden nog steeds slecht begrepen. Dit omvat de levensduur van de quasideeltjes en bijgevolg de gemiddelde afstand die ze kunnen afleggen voordat ze van elkaar verstrooid raken.

Om deze eigenschappen te onderzoeken, onderzocht het team van Manley een onevenwichtig kristal genaamd fresnoiet. Ze voerden inelastische neutronenverstrooiingsexperimenten uit met behulp van de HYSPEC spectrometer op Oak Ridge's Spallatie Neutronenbron (zie figuur). Neutronen zijn een ideale sonde voor een dergelijk onderzoek omdat ze interageren met zowel fasonen als fononen. Het team deed ook metingen van de thermische geleidbaarheid van het materiaal. Hun experimenten bevestigden dat fasonen een belangrijke bijdrage leveren aan de warmtestroom door fresnoiet. Ze ontdekten inderdaad dat de bijdrage van de fasonen aan de thermische geleidbaarheid van het materiaal ongeveer 2.5 keer groter is dan die van fononen bij kamertemperatuur.

Grote, defectvrije quasi-kristallen kunnen worden gemaakt door 'zelfgenezing'

Het team ontdekte dat het gemiddelde vrije pad van de phason ongeveer drie keer langer is dan het gemiddelde vrije pad van de phonon - wat ze relateren aan de supersonische snelheid van de phasons. Bovendien piekt de bijdrage van de phason aan de thermische geleidbaarheid van fresnoiet in de buurt van kamertemperatuur, wat veel hoger is dan de temperatuur waarbij de bijdrage van de fonon piekt.

Manley en collega's hopen dat hun ontdekkingen nieuwe kansen kunnen bieden voor fresnoiet en andere onvergelijkbare kristallen in geavanceerde toepassingen voor warmtebeheer en temperatuurregeling. De materialen zouden zelfs kunnen worden gebruikt in thermische logische circuits, die informatie kunnen overbrengen via de warmtestroom. Indien geïntegreerd met conventionele elektronica, kunnen dergelijke hybride systemen worden gebruikt om warmte die verloren gaat door dissipatie te recyclen, waardoor de efficiëntie van moderne computersystemen wordt verhoogd.

Het onderzoek is beschreven in Physical Review Letters.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/phasons-boost-thermal-conductivity-of-incommensurate-crystals/