Новости

Nov 11, 2023

Фазоны повышают теплопроводность несоизмеримых кристаллов

Новый взгляд на экзотическое тепловое поведение фазонов – квазичастиц, которые

Новое понимание экзотического теплового поведения фазонов – квазичастиц, которые можно обнаружить в несоизмеримых кристаллах – получили физики в США. Эксперименты, проведенные Майклом Мэнли и его коллегами в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси, показали, как эти квазичастицы играют важную роль в передаче тепла через эти необычные материалы.

Фазоны — это фононоподобные квазичастицы, возникающие в результате коллективных движений атомов в несоизмеримых кристаллах. Это материалы, которые можно описать с помощью двух или более подрешеток, где отношения между периодическими расстояниями подрешеток 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, переданная в материал, заставляет атомы вибрировать. Фононы могут затем проходить через решетку, неся с собой тепло. В результате фононы играют роль в передаче тепла в материалах, особенно в изоляторах, где электронами переносится 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 перемещаться внутри материалов быстрее, чем скорость звука, и должны рассеиваться меньше, чем фононы – и то, и другое должно улучшить их способность переносить тепло.

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 несоизмеримый кристалл под названием фресноит. Они провели эксперименты по неупругому рассеянию нейтронов, используя спектрометр HYSPEC на источнике расщепительных нейтронов в Ок-Ридже (см. Рисунок). Нейтроны являются идеальным зондом для такого исследования, поскольку 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.

Большие бездефектные квазикристаллы могут быть созданы путем «самовосстановления»

Команда обнаружила, что средний свободный путь фазонов примерно в три раза длиннее, чем средний свободный путь фононов, что они связывают со сверхзвуковой скоростью фазонов. Кроме того, пики фазонного вклада в теплопроводность фресноита близки к комнатной температуре, что намного выше температуры, при которой пик фононного вклада.

Мэнли и его коллеги надеются, что их открытия откроют новые возможности для фресноита и других несоизмеримых кристаллов в современных приложениях управления теплом и контроля температуры. Эти материалы могут даже найти применение в тепловых логических схемах, которые смогут передавать информацию посредством потока тепла. В случае интеграции с традиционной электроникой такие гибридные системы можно было бы использовать для утилизации тепла, потерянного в результате рассеяния, тем самым повышая эффективность современных вычислительных систем.

Исследование описано в Physical Review Letters.