Una nueva investigación ofrece información sobre cómo las dislocaciones de los cristales, un tipo común de defecto en los materiales, pueden afectar el transporte eléctrico y de calor a través de los cristales. a un microscopio, nivel mecánico cuántico.

Las dislocaciones en los cristales son lugares donde se interrumpe la estructura tridimensional ordenada de una red cristalina, cuya disposición de átomos se repite exactamente con el mismo espaciado. El efecto es como si un cuchillo hubiera cortado el cristal y luego las piezas se hubieran vuelto a unir, torcido de sus posiciones originales. Estos defectos tienen un fuerte efecto sobre los fonones, los modos de vibración reticular que juegan un papel en las propiedades térmicas y eléctricas de los cristales a través de los cuales viajan. Pero una comprensión precisa del mecanismo de la interacción dislocación-fonón ha sido esquiva y controvertida, lo que ha ralentizado el progreso hacia el uso de dislocaciones para adaptar las propiedades térmicas de los materiales.

Un equipo del MIT ha podido conocer detalles importantes sobre cómo funcionan esas interacciones, lo que podría informar los esfuerzos futuros para desarrollar dispositivos termoeléctricos y otros sistemas electrónicos. Los hallazgos se informan en la revista. Nano letras , en un artículo escrito en coautoría por el postdoctorado Mingda Li, Jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica, Profesor Gang Chen, la fallecida profesora del Instituto Emerita Mildred Dresselhaus, y otros cinco.

Las dislocaciones, que Li describe como "irregularidades atómicas en un cristal regular", son defectos muy comunes en los cristales, y afectan, por ejemplo, cómo se disipa el calor a través de un microchip de silicio o qué tan bien fluye la corriente a través de un panel solar de silicio.

Ha habido dos enfoques en competencia para explicar las interacciones de dislocación de fonones, Li explica, y algunas otras preguntas sobre ellos siguen sin resolverse. Ahora, el equipo del MIT ha encontrado un nuevo enfoque matemático para analizar dichos sistemas, utilizando una nueva cuasipartícula que formularon llamada "dislon, "que es una versión cuantificada de una dislocación, que parece resolver estos antiguos misterios.

"La gente ha tratado de aprender cómo las dislocaciones cambian las propiedades del material:las propiedades eléctricas y térmicas, "Li dice." Antes de ahora, había muchos modelos empíricos, que necesitan parámetros de ajuste para estar completos. Hubo un largo debate sobre la naturaleza de la dispersión de fonones en las dislocaciones ".

La nueva teoría Li dice:tiene un punto de partida diferente, ya que se basa en una rigurosa teoría cuántica de campos. Parece resolver una serie de problemas, incluyendo un debate entre dos puntos de vista conocidos como enfoques de dispersión dinámica y estática, mostrando que son simplemente
dos casos extremos dentro de este nuevo marco. Y aunque ambos enfoques no logran explicar el comportamiento a nanoescala, el nuevo enfoque funciona bien a tales escalas.

Los hallazgos podrían afectar la búsqueda de mejores materiales termoeléctricos, que puede convertir el calor en electricidad. Estos se utilizan para generar energía a partir del calor residual, o proporcionar calentadores para asientos de automóvil. Los sistemas termoeléctricos también pueden proporcionar refrigeración, para cofres de bebidas frías, por ejemplo.

Chen, que es el profesor Carl Richard Soderberg de ingeniería energética, atribuye los nuevos hallazgos a la iniciativa de Li. "No puse muchas esperanzas en eso, ", Dijo Chen." Es un problema bastante complejo:cómo las dislocaciones afectan estas propiedades tan importantes. ... Me sorprendió mucho cuando regresó con esta nueva teoría. Partió de principios básicos y derivó una descripción cuántica para ello ".

Li y su equipo han logrado "un gran avance al poder dar cuenta de la naturaleza de largo alcance del campo de tensión de dislocación, tratándolo como un nuevo objeto mecánico cuántico llamado dislon, "dice Jeffery Snyder, profesor de la Universidad Northwestern, que no estaba relacionado con este trabajo. "Combinar esto con el tratamiento mecánico cuántico de la interacción dislon-electrón podría conducir a nuevas estrategias para optimizar materiales mediante el uso de enfoques metalúrgicos para diseñar la estructura". escribe, y ubicación de dislocaciones dentro de un material ".

"Las dislocaciones tienen efectos profundos en las propiedades de los materiales, pero hasta ahora la naturaleza de largo alcance del campo de deformación ha impedido los cálculos directos de los efectos de dislocación, "dice David J. Singh, un profesor de la Universidad de Missouri que tampoco participó en este trabajo. "La cuantificación desarrollada en este artículo contribuye en gran medida a resolver estos problemas. Espero que este nuevo formalismo conduzca a una mejor comprensión de los efectos de las dislocaciones en las propiedades eléctricas y térmicas de los materiales. Este trabajo es un gran paso adelante. "

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.