I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno fatto le prime osservazioni di onde di riarrangiamenti atomici, conosciuti come fasoni, propagandosi in modo supersonico attraverso un reticolo cristallino vibrante, una scoperta che potrebbe migliorare notevolmente il trasporto di calore negli isolanti e consentire nuove strategie per la gestione del calore nei futuri dispositivi elettronici.

"La scoperta ti offre un modo diverso di controllare il flusso di calore, " ha detto l'autore principale Michael Manley del documento pubblicato in Comunicazioni sulla natura . "Fornisce una scorciatoia attraverso il materiale, un modo per inviare l'energia del puro movimento atomico a una velocità superiore a quella possibile con i fononi [vibrazioni atomiche]. Questa scorciatoia può aprire possibilità nella gestione del calore dei materiali su scala nanometrica. Immagina la possibilità di un interruttore termico, Per esempio."

Gli scienziati hanno utilizzato la diffusione di neutroni per misurare fasoni con velocità circa 2,8 volte e circa 4,3 volte più veloci dei naturali "limiti di velocità" delle onde acustiche longitudinali e trasversali, rispettivamente. "Non ci aspettavamo che andassero così veloci senza [sbiadirsi], " ha detto Manley.

Gli isolanti sono necessari nei dispositivi elettronici per prevenire i cortocircuiti; ma senza elettroni liberi, il trasporto termico è limitato all'energia del moto atomico. Quindi, è importante comprendere il trasporto di calore per moto atomico negli isolanti.

I ricercatori hanno sparso neutroni nella fresnoite, un minerale cristallino così chiamato perché trovato per la prima volta a Fresno, California. È promettente per le applicazioni dei sensori grazie alla sua proprietà piezoelettrica, che gli permette di trasformare le sollecitazioni meccaniche in campi elettrici.

Fresnoite ha una struttura a struttura flessibile che sviluppa un ordine concorrente nella struttura che non corrisponde all'ordine cristallino sottostante, come una sovrapposizione di tessere non corrispondenti. I fasoni sono eccitazioni associate a riarrangiamenti atomici nel cristallo che cambiano la fase delle onde che descrivono la mancata corrispondenza nella struttura.

Le differenze di fase si accumulano in un reticolo di rughe, chiamate solitoni. I solitoni sono onde solitarie che si propagano con poca perdita di energia e mantengono la loro forma. Possono anche deformare l'ambiente locale in un modo che consente loro di viaggiare più velocemente del suono.

"Il solitone è una regione molto deformata nel cristallo dove gli spostamenti degli atomi sono grandi e la relazione forza-spostamento non è più lineare, " Disse Manley. "La rigidità del materiale è aumentata localmente all'interno del solitone, portando a un trasferimento di energia più veloce."

Raffi Sahul di Meggitt Sensing Systems di Irvine, California, fece crescere un singolo cristallo di fresnoite e lo mandò all'ORNL per esperimenti di diffusione di neutroni che Manley concepì per caratterizzare il modo in cui l'energia si muoveva attraverso il cristallo. "I neutroni sono il modo migliore per studiarlo perché le loro lunghezze d'onda ed energie sono in un certo senso abbinate alle vibrazioni atomiche, " ha detto Manley.

Manley eseguì misurazioni con Paul Stonaha, Doug Abernathy e John Budai usando la diffusione di neutroni a tempo di volo alla Spallation Neutron Source, e con Stonaha, Songxue Chi, e Raphael Hermann utilizzando lo scattering di neutroni su tre assi nel reattore ad isotopi ad alto flusso.

A SNS, gli scienziati hanno iniziato con una sorgente pulsata di neutroni di diverse energie e hanno utilizzato lo strumento ARCS, che seleziona i neutroni in un intervallo di energia ristretto e li disperde da un campione in modo che i rivelatori possano mappare l'energia e il trasferimento di quantità di moto su un ampio intervallo.

"L'ampia area di misurazione è stata importante per questo studio perché le caratteristiche non erano dove normalmente ci si aspetterebbe che fossero, " disse Abernathy. "Questo dà alle misurazioni dei neutroni una grande possibilità di determinare le velocità dei fasoni che si propagano, calcolati dalla pendenza delle loro curve di dispersione."

La dispersione è il rapporto tra la lunghezza d'onda e l'energia che caratterizza un'onda che si propaga.

"Una volta che le misurazioni SNS ci hanno detto dove guardare, abbiamo usato la spettrometria a tre assi all'HFIR, che forniva un flusso costante di neutroni, per concentrarmi su quell'unico punto, Manley ha detto. "Una cosa unica dell'Oak Ridge National Laboratory è che disponiamo sia di una sorgente di spallazione di prim'ordine che di una sorgente di reattore di prim'ordine per la ricerca sui neutroni. Possiamo andare avanti e indietro tra le strutture e avere davvero una visione completa delle cose".

Successivamente i ricercatori esploreranno altri cristalli che, come fresnoite, può ruotare i fasoni. La deformazione applicata con un campo elettrico può essere in grado di modificare la rotazione. Anche le variazioni di temperatura possono variare le proprietà.

Il titolo dell'articolo è "Propagazione supersonica dell'energia reticolare da parte dei fasoni nella fresnoite".