Noticias

Nov 11, 2023

Los fasones aumentan la conductividad térmica de cristales inconmensurables

Nuevos conocimientos sobre el exótico comportamiento térmico de las fasonas: cuasipartículas que

Físicos de EE. UU. han obtenido nuevos conocimientos sobre el comportamiento térmico exótico de las fasonas, cuasipartículas que se pueden encontrar en cristales inconmensurables. Los experimentos realizados por Michael Manley y sus colegas en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee han demostrado cómo estas cuasipartículas juegan un papel importante en el transporte de calor a través de estos materiales inusuales.

Los fasones son cuasipartículas similares a fonones que surgen de los movimientos colectivos de los átomos en cristales inconmensurables. Estos son materiales que se pueden describir utilizando dos o más subredes, donde las proporciones entre los espacios periódicos de las subredes no son números enteros. La creación y propagación de una fase implica un cambio en la orientación relativa (o fase) de las subredes, de ahí el nombre de cuasipartícula.

En los materiales cristalinos, se crean cuasipartículas llamadas fonones cuando la energía depositada en el material hace que los átomos vibren. Entonces, los fonones pueden viajar a través de la red, transportando calor con ellos. Como resultado, los fonones juegan un papel en cómo se transfiere el calor en los materiales, particularmente en los aisladores donde los electrones conducen poco calor.

Durante algún tiempo, los físicos han predicho que las fases deberían desempeñar un papel clave en la mejora del flujo de calor a través de cristales inconmensurables. De hecho, a diferencia de los fonones, los fasones pueden viajar más rápido que la velocidad del sonido dentro de los materiales y deberían dispersarse menos que los fonones, los cuales deberían mejorar sus capacidades de transporte de calor.

Sin embargo, los cristales desproporcionados son raros en la naturaleza, por lo que varias características clave de las fases aún no se conocen bien. Esto incluye la vida útil de las cuasipartículas y, en consecuencia, la distancia promedio que pueden recorrer antes de dispersarse entre sí.

Para explorar estas propiedades, el equipo de Manley examinó un cristal inconmensurable llamado fresnoita. Realizaron experimentos de dispersión de neutrones inelásticos usando el espectrómetro HYSPEC en la fuente de neutrones por espalación de Oak Ridge (ver figura). Los neutrones son una sonda ideal para tal estudio porque interactúan con fasones y fonones. El equipo también realizó mediciones de la conductividad térmica del material. Sus experimentos confirmaron que los phasons hacen una contribución importante al flujo de calor a través de la fresnoita. De hecho, descubrieron que la contribución de los fasones a la conductividad térmica del material es unas 2,5 veces mayor que la de los fonones a temperatura ambiente.

Los cuasicristales grandes y sin defectos podrían fabricarse mediante la "autocuración"

El equipo descubrió que el camino libre medio del fasón es aproximadamente tres veces más largo que el camino libre medio del fonón, que relacionan con la velocidad supersónica de los fasones. Además, la contribución de los fasones a la conductividad térmica de la fresnoita alcanza su punto máximo cerca de la temperatura ambiente, que es mucho más alta que la temperatura a la que alcanza su punto máximo la contribución de los fonones.

Manley y sus colegas esperan que sus descubrimientos puedan abrir nuevas oportunidades para la fresnoita y otros cristales inconmensurables en aplicaciones avanzadas de control de temperatura y gestión del calor. Los materiales podrían incluso tener uso en circuitos lógicos térmicos, que podrían transmitir información a través del flujo de calor. Si se integran con la electrónica convencional, estos sistemas híbridos podrían usarse para reciclar el calor perdido por disipación, aumentando así la eficiencia de los sistemas informáticos modernos.

La investigación se describe en Physical Review Letters.