Fasoner øker den termiske ledningsevnen til upassende krystaller

Ny innsikt i den eksotiske termiske oppførselen til fasoner - kvasipartikler som kan finnes i uforholdsmessige krystaller - har blitt oppnådd av fysikere i USA. Eksperimenter utført av Michael Manley og kolleger ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee har vist hvordan disse kvasipartikler spiller en viktig rolle i å transportere varme gjennom disse uvanlige materialene.

Fasoner er fononlignende kvasipartikler som oppstår fra de kollektive bevegelsene til atomer i inkompensurerte krystaller. Dette er materialer som kan beskrives ved hjelp av to eller flere undergitter, der forholdet mellom de periodiske avstandene til undergittrene ikke er heltall. Opprettelsen og forplantningen av en fase innebærer et skifte i den relative orienteringen (eller fasen) til subgitterne, derav navnet på kvasipartikkelen.

I krystallinske materialer dannes kvasipartikler kalt fononer når energi avsatt i materialet får atomer til å vibrere. Fononer kan deretter reise gjennom gitteret og bære varme med seg. Som et resultat spiller fononer en rolle i hvordan varme overføres i materialer - spesielt i isolatorer der lite varme ledes av elektroner.

I noen tid har fysikere spådd at fasoner skulle spille en nøkkelrolle i å øke varmestrømmen gjennom uforholdsmessige krystaller. Faktisk, i motsetning til fononer, kan fasoner reise raskere enn lydhastigheten inne i materialer og bør spre mindre enn fononer - som begge bør forbedre deres varmebærende evner.

Ukjent levetid

Imidlertid er uforholdsmessige krystaller sjeldne i naturen, så flere nøkkelfaseegenskaper er fortsatt dårlig forstått. Dette inkluderer levetiden til kvasipartikler og, følgelig, den gjennomsnittlige avstanden de kan reise før de spres av hverandre.

For å utforske disse egenskapene undersøkte Manleys team en upassende krystall kalt fresnoitt. De utførte uelastiske nøytronspredningseksperimenter ved å bruke HYSPEC spektrometer på Oak Ridge's Spallasjon nøytronkilde (se figur). Nøytroner er en ideell sonde for en slik studie fordi de samhandler med både fasoner og fononer. Teamet gjorde også målinger av materialets varmeledningsevne. Eksperimentene deres bekreftet at fasoner gir et stort bidrag til varmestrømmen gjennom fresnoitt. Faktisk fant de ut at fasenes bidrag til materialets varmeledningsevne er omtrent 2.5 ganger større enn fononens bidrag ved romtemperatur.

Store, defektfrie kvasikrystaller kan lages ved "selvhelbredelse"

Teamet fant at den gjennomsnittlige frie banen for fase er omtrent tre ganger lengre enn den gjennomsnittlige frie banen for fonon - som de relaterer til fasenes supersoniske hastighet. Videre topper fasebidraget til fresnoites varmeledningsevne nær romtemperatur, som er mye høyere enn temperaturen der fononbidraget topper.

Manley og kollegene håper deres oppdagelser kan åpne nye muligheter for fresnoitt og andre upassende krystaller i avansert varmestyring og temperaturkontrollapplikasjoner. Materialene kunne til og med se bruk i termiske logiske kretser, som kunne formidle informasjon via varmestrømmen. Hvis integrert med konvensjonell elektronikk, kan slike hybridsystemer brukes til å resirkulere varme tapt gjennom spredning, og dermed øke effektiviteten til moderne datasystemer.

Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/phasons-boost-thermal-conductivity-of-incommensurate-crystals/