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Apr 21, 2023

Os fasões aumentam a condutividade térmica de cristais incomensuráveis

Novos insights sobre o exótico comportamento térmico dos fásons – quasipartículas que

Novos insights sobre o exótico comportamento térmico dos fasões – quasipartículas que podem ser encontradas em cristais incomensuráveis ​​– foram obtidos por físicos nos EUA. Experimentos feitos por Michael Manley e colegas do Oak Ridge National Laboratory, no Tennessee, mostraram como essas quasipartículas desempenham um papel importante no transporte de calor através desses materiais incomuns.

Os fasões são quasipartículas semelhantes a fônons que surgem dos movimentos coletivos de átomos em cristais incomensuráveis. São materiais que podem ser descritos usando duas ou mais sub-redes, onde as razões entre os espaçamentos periódicos das sub-redes não são inteiros. A criação e propagação de um fasão envolve uma mudança na orientação relativa (ou fase) das sub-redes, daí o nome da quasipartícula.

Em materiais cristalinos, quasipartículas chamadas fônons são criadas quando a energia depositada no material faz com que os átomos vibrem. Os fônons podem então viajar através da rede, carregando calor com eles. Como resultado, os fônons desempenham um papel na forma como o calor é transferido em materiais – particularmente em isoladores onde pouco calor é conduzido por elétrons.

Por algum tempo, os físicos previram que os fasões deveriam desempenhar um papel fundamental no aumento do fluxo de calor através de cristais incomensuráveis. De fato, ao contrário dos fônons, os fásons podem viajar mais rápido que a velocidade do som dentro dos materiais e devem se espalhar menos que os fônons – ambos os quais devem aumentar suas habilidades de transporte de calor.

No entanto, cristais incomensuráveis ​​são raros na natureza, de modo que várias características chave dos fasões ainda são pouco compreendidas. Isso inclui o tempo de vida das quasipartículas e, consequentemente, a distância média que elas podem percorrer antes de se espalharem umas pelas outras.

Para explorar essas propriedades, a equipe de Manley examinou um cristal incomensurável chamado fresnoite. Eles realizaram experimentos de espalhamento inelástico de nêutrons usando o espectrômetro HYSPEC na Spallation Neutron Source de Oak Ridge (veja a figura). Os nêutrons são uma sonda ideal para tal estudo porque eles interagem tanto com os fásons quanto com os fônons. A equipe também fez medições da condutividade térmica do material. Seus experimentos confirmaram que os fasões dão uma contribuição importante para o fluxo de calor através da fresnoite. De fato, eles descobriram que a contribuição dos fásons para a condutividade térmica do material é cerca de 2,5 vezes maior do que a dos fônons à temperatura ambiente.

Quasicristais grandes e sem defeitos podem ser feitos por 'autocura'

A equipe descobriu que o caminho livre médio do fáson é cerca de três vezes mais longo do que o caminho livre médio do fônon – que eles relacionam à velocidade supersônica dos fasões. Além disso, a contribuição do fáson para a condutividade térmica da fresnoite atinge um pico próximo à temperatura ambiente, que é muito maior do que a temperatura na qual a contribuição do fônon atinge o pico.

Manley e seus colegas esperam que suas descobertas possam abrir novas oportunidades para fresnoite e outros cristais incomensuráveis ​​em aplicações avançadas de gerenciamento de calor e controle de temperatura. Os materiais podem até ser usados ​​em circuitos lógicos térmicos, que podem transmitir informações por meio do fluxo de calor. Se integrados à eletrônica convencional, esses sistemas híbridos podem ser usados ​​para reciclar o calor perdido por meio da dissipação, aumentando assim a eficiência dos sistemas de computação modernos.

A pesquisa é descrita em Physical Review Letters.