Los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía hicieron las primeras observaciones de ondas de reordenamientos atómicos, conocidos como phasons, propagarse supersónicamente a través de una red de cristal vibrante, un descubrimiento que puede mejorar drásticamente el transporte de calor en los aislantes y permitir nuevas estrategias para la gestión del calor en los dispositivos electrónicos del futuro.

"El descubrimiento te ofrece una forma diferente de controlar el flujo de calor, "dijo el autor principal Michael Manley del artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza . "Proporciona un atajo a través del material, una forma de enviar la energía del movimiento atómico puro a una velocidad superior a la que se puede obtener con fonones [vibraciones atómicas]. Este atajo puede abrir posibilidades en la gestión del calor de materiales a nanoescala. Imagínese la posibilidad de un disyuntor térmico, por ejemplo."

Los científicos utilizaron la dispersión de neutrones para medir fases con velocidades aproximadamente 2,8 veces y aproximadamente 4,3 veces más rápidas que los "límites de velocidad" naturales de las ondas acústicas longitudinales y transversales. respectivamente. "No esperábamos que fueran tan rápido sin [desvanecerse], "Dijo Manley.

Los aisladores son necesarios en los dispositivos electrónicos para evitar cortocircuitos; pero sin electrones libres, El transporte térmico se limita a la energía del movimiento atómico. Por eso, Es importante comprender el transporte de calor por movimiento atómico en los aisladores.

Los investigadores esparcieron neutrones en fresnoite, un mineral cristalino llamado así porque se encontró por primera vez en Fresno, California. Es prometedor para aplicaciones de sensores a través de su propiedad piezoeléctrica, lo que le permite convertir la tensión mecánica en campos eléctricos.

Fresnoite tiene una estructura de marco flexible que desarrolla un orden competitivo en la estructura que no coincide con el orden cristalino subyacente, como una superposición de mosaicos que no coinciden. Las fases son excitaciones asociadas con reordenamientos atómicos en el cristal que cambian la fase de las ondas que describen el desajuste en la estructura.

Las diferencias de fase se acumulan en una red de arrugas, llamadas solitones. Los solitones son ondas solitarias que se propagan con poca pérdida de energía y conservan su forma. También pueden deformar el entorno local de una manera que les permita viajar más rápido que el sonido.

"El solitón es una región muy deformada en el cristal donde los desplazamientos de los átomos son grandes y la relación fuerza-desplazamiento ya no es lineal, ", Dijo Manley." La rigidez del material se mejora localmente dentro del solitón, conduciendo a una transferencia de energía más rápida ".

Raffi Sahul de Meggitt Sensing Systems de Irvine, California, cultivó un solo cristal de fresnoita y lo envió a ORNL para los experimentos de dispersión de neutrones que Manley concibió para caracterizar cómo se movía la energía a través del cristal. "Los neutrones son la mejor manera de estudiar esto porque sus longitudes de onda y energías coinciden en cierto sentido con las vibraciones atómicas, "Dijo Manley.

Manley realizó mediciones con Paul Stonaha, Doug Abernathy y John Budai usando dispersión de neutrones en tiempo de vuelo en la fuente de neutrones de espalación, y con Stonaha, Songxue Chi, y Raphael Hermann usando dispersión de neutrones de triple eje en el reactor de isótopos de alto flujo.

En SNS, los científicos comenzaron con una fuente pulsada de neutrones de diferentes energías y utilizaron el instrumento ARCS, que selecciona neutrones en un rango de energía estrecho y los dispersa en una muestra para que los detectores puedan mapear la transferencia de energía y momento en un rango amplio.

"El área de medición grande fue importante para este estudio porque las características no estaban donde normalmente se esperaría que estuvieran, ", dijo Abernathy." Esto le da a las mediciones de neutrones una gran oportunidad para determinar las velocidades de los fasones en propagación, calculado a partir de la pendiente de sus curvas de dispersión ".

La dispersión es la relación entre la longitud de onda y la energía que caracteriza a una onda que se propaga.

"Una vez que las mediciones del SNS nos dijeron dónde buscar, utilizamos espectrometría de triple eje en HFIR, que proporcionó un flujo constante de neutrones, centrarse en ese único punto, "Dijo Manley." Una cosa única sobre el Laboratorio Nacional de Oak Ridge es que tenemos una fuente de espalación de clase mundial y una fuente de reactor de clase mundial para la investigación de neutrones. Podemos ir y venir entre las instalaciones y obtener una visión completa de las cosas ".

A continuación, los investigadores explorarán otros cristales que, como fresnoite, puede rotar phasons. La tensión aplicada con un campo eléctrico puede cambiar la rotación. Los cambios de temperatura también pueden variar las propiedades.

El título del artículo es "Propagación supersónica de energía reticular por phasons en fresnoite".