Fazoni povečajo toplotno prevodnost nesorazmernih kristalov

Fiziki v ZDA so pridobili nove vpoglede v eksotično toplotno obnašanje fazonov – kvazidelcev, ki jih je mogoče najti v nesorazmernih kristalih. Poskusi, ki jih je opravil Michael Manley and colleagues at Oak Ridge National Laboratory in Tennessee have shown how these quasiparticles play an in important role in transporting heat through these unusual materials.

Fazoni so fononom podobni kvazidelci, ki izhajajo iz skupnega gibanja atomov v nesorazmernih kristalih. To so materiali, ki jih je mogoče opisati z uporabo dveh ali več podmrež, kjer razmerja med periodičnimi razmiki podmrež niso cela števila. Ustvarjanje in širjenje fazona vključuje premik v relativni orientaciji (ali fazi) podmrež, od tod tudi ime kvazidelec.

V kristalnih materialih nastanejo kvazidelci, imenovani fononi, ko energija, odložena v material, povzroči vibriranje atomov. Fononi lahko nato potujejo skozi rešetko in s seboj prenašajo toploto. Posledično imajo fononi vlogo pri prenosu toplote v materialih – zlasti v izolatorjih, kjer elektroni prevajajo malo toplote.

Fiziki že nekaj časa napovedujejo, da bi morali imeti fazoni ključno vlogo pri povečanju pretoka toplote skozi nesorazmerne kristale. Za razliko od fononov lahko fazoni dejansko potujejo hitreje od hitrosti zvoka znotraj materialov in bi se morali razpršiti manj kot fononi – oba bi morala povečati svoje sposobnosti prenosa toplote.

Neznane življenjske dobe

However, incommensurate crystals are rare in nature, so several key phason characteristics are still poorly understood. This includes the lifetimes of the quasiparticles and, consequently, the average distance they can travel before scattering off each other.

Za raziskovanje teh lastnosti je Manleyjeva ekipa pregledala nesorazmeren kristal, imenovan fresnoit. Izvedli so poskuse neelastičnega sipanja nevtronov z uporabo HYSPEC spektrometer na Oak Ridgeu Spallacijski nevtronski vir (glej sliko). Nevtroni so idealna sonda za takšno študijo, ker medsebojno delujejo tako s fazoni kot s fononi. Ekipa je opravila tudi meritve toplotne prevodnosti materiala. Njihovi poskusi so potrdili, da fazoni pomembno prispevajo k pretoku toplote skozi fresnoit. Dejansko so ugotovili, da je prispevek fazonov k toplotni prevodnosti materiala približno 2.5-krat večji od prispevka fononov pri sobni temperaturi.

Velike kvazikristale brez napak bi lahko izdelali s "samozdravljenjem"

Skupina je ugotovila, da je povprečna prosta pot fazonov približno trikrat daljša od povprečne proste poti fononov – kar povezujejo z nadzvočno hitrostjo fazonov. Poleg tega je prispevek fazona k toplotni prevodnosti fresnoita najvišji v bližini sobne temperature, ki je veliko višja od temperature, pri kateri je prispevek fonona najvišji.

Manley in sodelavci upajo, da bi njihova odkritja lahko odprla nove priložnosti za fresnoit in druge nesorazmerne kristale v naprednih aplikacijah za upravljanje toplote in nadzor temperature. Materiali bi se lahko celo uporabljali v termičnih logičnih vezjih, ki bi lahko posredovala informacije prek toka toplote. Če bi jih integrirali s konvencionalno elektroniko, bi lahko takšne hibridne sisteme uporabili za recikliranje toplote, izgubljene z odvajanjem, s čimer bi povečali učinkovitost sodobnih računalniških sistemov.

Raziskava je opisana v Pisni pregledi fizike.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/phasons-boost-thermal-conductivity-of-incommensurate-crystals/