Фазоны повышают теплопроводность несоизмеримых кристаллов

Новое понимание экзотического теплового поведения фазонов — квазичастиц, которые можно найти в несоизмеримых кристаллах — было получено американскими физиками. Эксперименты, проведенные Майкл Мэнли и его коллеги из Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси показали, как эти квазичастицы играют важную роль в передаче тепла через эти необычные материалы.

Фазоны — фононоподобные квазичастицы, возникающие в результате коллективного движения атомов в несоизмеримых кристаллах. Это материалы, которые можно описать с помощью двух или более подрешеток, где отношения между периодическими расстояниями между подрешетками не являются целыми числами. Создание и распространение фазона связано со сдвигом относительной ориентации (или фазы) подрешеток, отсюда и название квазичастицы.

В кристаллических материалах квазичастицы, называемые фононами, создаются, когда энергия, выделяемая в материале, заставляет атомы вибрировать. Затем фононы могут проходить через решетку, неся с собой тепло. В результате фононы играют роль в передаче тепла в материалах, особенно в изоляторах, где электроны проводят мало тепла.

В течение некоторого времени физики предсказывали, что фазоны должны играть ключевую роль в усилении потока тепла через несоизмеримые кристаллы. Действительно, в отличие от фононов, фазоны могут двигаться внутри материалов со скоростью, превышающей скорость звука, и должны меньше рассеиваться, чем фононы, — и то, и другое должно повышать их способность к переносу тепла.

Неизвестные жизни

Однако несоизмеримые кристаллы в природе встречаются редко, поэтому некоторые ключевые характеристики фазонов до сих пор плохо изучены. Сюда входит время жизни квазичастиц и, следовательно, среднее расстояние, которое они могут преодолеть, прежде чем рассеяться друг от друга.

Чтобы изучить эти свойства, команда Мэнли исследовала несоразмерный кристалл под названием фресноит. Они провели эксперименты по неупругому рассеянию нейтронов, используя ХАЙСПЕК спектрометр в Ок-Ридже Истощение нейтронного источника (см. рисунок). Нейтроны — идеальный зонд для такого исследования, потому что они взаимодействуют как с фазонами, так и с фононами. Команда также провела измерения теплопроводности материала. Их эксперименты подтвердили, что фазоны вносят основной вклад в поток тепла через фресноит. Действительно, они обнаружили, что вклад фазонов в теплопроводность материала примерно в 2.5 раза больше, чем вклад фононов при комнатной температуре.

Крупные бездефектные квазикристаллы могут быть получены путем «самовосстановления».

Команда обнаружила, что длина свободного пробега фазонов примерно в три раза больше, чем средняя длина свободного пробега фононов, которую они связывают со сверхзвуковой скоростью фазонов. Кроме того, вклад фазона в теплопроводность фресноита достигает пика вблизи комнатной температуры, что намного выше, чем температура, при которой вклад фонона достигает максимума.

Мэнли и его коллеги надеются, что их открытия могут открыть новые возможности для фресноита и других несоизмеримых кристаллов в передовых приложениях для управления теплом и контроля температуры. Материалы можно было бы даже использовать в тепловых логических схемах, которые могли бы передавать информацию через поток тепла. В случае интеграции с обычной электроникой такие гибридные системы можно было бы использовать для рециркуляции тепла, теряемого в результате рассеяния, тем самым повышая эффективность современных вычислительных систем.

Исследование описано в Physical Review Letters,.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/phasons-boost-thermal-conductivity-of-incommensurate-crystals/