Fazony zwiększają przewodność cieplną niewspółmiernych kryształów

Fizycy ze Stanów Zjednoczonych uzyskali nowy wgląd w egzotyczne zachowanie termiczne fazonów – kwazicząstek, które można znaleźć w niewspółmiernych kryształach. Eksperymenty wykonane przez Michael Manley i współpracownicy z Oak Ridge National Laboratory w Tennessee pokazali, jak te kwazicząstki odgrywają ważną rolę w transporcie ciepła przez te niezwykłe materiały.

Fazony to podobne do fononów kwazicząstki, które powstają w wyniku kolektywnych ruchów atomów w niewspółmiernych kryształach. Są to materiały, które można opisać za pomocą dwóch lub więcej podsieci, gdzie stosunki między odstępami okresowymi podsieci nie są liczbami całkowitymi. Tworzenie i propagacja fazonu wiąże się ze zmianą względnej orientacji (lub fazy) podsieci, stąd nazwa kwazicząstki.

W materiałach krystalicznych kwazicząstki zwane fononami powstają, gdy energia zgromadzona w materiale powoduje drgania atomów. Fonony mogą wtedy przemieszczać się przez sieć, przenosząc ze sobą ciepło. W rezultacie fonony odgrywają rolę w sposobie przenoszenia ciepła w materiałach – szczególnie w izolatorach, w których elektrony przewodzą niewiele ciepła.

Od pewnego czasu fizycy przewidywali, że fazony powinny odgrywać kluczową rolę we wzmacnianiu przepływu ciepła przez niewspółmierne kryształy. Rzeczywiście, w przeciwieństwie do fononów, fazony mogą poruszać się szybciej niż prędkość dźwięku w materiałach i powinny rozpraszać mniej niż fonony – z których oba powinny zwiększyć ich zdolność przenoszenia ciepła.

Nieznane życia

Jednak nieproporcjonalne kryształy są rzadkie w przyrodzie, więc kilka kluczowych cech fazonu jest nadal słabo poznanych. Obejmuje to czas życia kwazicząstek, a co za tym idzie, średnią odległość, jaką mogą pokonać, zanim się rozproszą.

Aby zbadać te właściwości, zespół Manleya zbadał niewspółmierny kryształ zwany fresnoitem. Przeprowadzili eksperymenty z nieelastycznym rozpraszaniem neutronów za pomocą HYSPEK spektrometr na Oak Ridge's Spalacyjne źródło neutronów (patrz rysunek). Neutrony są idealną sondą do takich badań, ponieważ oddziałują zarówno z fazonami, jak i fononami. Zespół wykonał również pomiary przewodności cieplnej materiału. Ich eksperymenty potwierdziły, że fazony w dużym stopniu przyczyniają się do przepływu ciepła przez fresnoit. Rzeczywiście, odkryli, że wkład fazonów w przewodnictwo cieplne materiału jest około 2.5 razy większy niż udział fononów w temperaturze pokojowej.

Duże, wolne od defektów kwazikryształy można wytwarzać metodą „samoleczenia”

Zespół odkrył, że średnia droga swobodna fazonu jest około trzy razy dłuższa niż średnia droga swobodna fononu – co wiąże się z naddźwiękową prędkością fazonów. Co więcej, wkład fazonów w przewodnictwo cieplne fresnoitu osiąga szczyty bliskie temperaturze pokojowej, która jest znacznie wyższa niż temperatura, w której wkład fononów osiąga szczyt.

Manley i współpracownicy mają nadzieję, że ich odkrycia mogą otworzyć nowe możliwości dla fresnoitu i innych niewspółmiernych kryształów w zaawansowanych aplikacjach zarządzania ciepłem i kontroli temperatury. Materiały te mogłyby nawet znaleźć zastosowanie w obwodach logiki termicznej, które mogłyby przekazywać informacje poprzez przepływ ciepła. W przypadku zintegrowania z konwencjonalną elektroniką, takie systemy hybrydowe mogłyby być wykorzystywane do odzyskiwania ciepła traconego w wyniku rozpraszania, zwiększając w ten sposób wydajność nowoczesnych systemów komputerowych.

Badania opisano w Physical Review Letters.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/phasons-boost-thermal-conductivity-of-incommensurate-crystals/