Una nuova ricerca offre approfondimenti su come le dislocazioni dei cristalli, un tipo comune di difetto nei materiali, possono influenzare il trasporto elettrico e di calore attraverso i cristalli, al microscopio, livello di meccanica quantistica.

Le dislocazioni nei cristalli sono luoghi in cui l'ordinata struttura tridimensionale di un reticolo cristallino, la cui disposizione degli atomi si ripete esattamente con la stessa spaziatura, viene interrotta. L'effetto è come se un coltello avesse tagliato il cristallo e poi i pezzi fossero rimessi insieme, deviare dalle loro posizioni originarie. Questi difetti hanno un forte effetto sui fononi, i modi di vibrazione del reticolo che giocano un ruolo nelle proprietà termiche ed elettriche dei cristalli attraverso i quali viaggiano. Ma una comprensione precisa del meccanismo dell'interazione dislocazione-fonone è stata sfuggente e controversa, che ha rallentato i progressi verso l'utilizzo delle dislocazioni per adattare le proprietà termiche dei materiali.

Un team del MIT è stato in grado di apprendere dettagli importanti su come funzionano queste interazioni, che potrebbe informare gli sforzi futuri per sviluppare dispositivi termoelettrici e altri sistemi elettronici. I risultati sono riportati sulla rivista Nano lettere , in un articolo co-autore del postdoc Mingda Li, Direttore del Dipartimento di Ingegneria Meccanica Professor Gang Chen, la defunta professoressa d'Istituto Emerita Mildred Dresselhaus, e altri cinque.

Le dislocazioni, che Li descrive come "irregolarità atomiche in un cristallo regolare", sono difetti molto comuni nei cristalli, e influenzano, Per esempio, come il calore si dissipa attraverso un microchip di silicio o come la corrente scorre attraverso un pannello solare di silicio.

Ci sono stati due approcci in competizione per spiegare le interazioni fonone-dislocazione, Li spiega, e alcune altre domande su di loro sono rimaste irrisolte. Ora, il team del MIT ha trovato un nuovo approccio matematico per analizzare tali sistemi, usando una nuova quasiparticella che hanno formulato chiamata "dislon, " che è una versione quantizzata di una dislocazione, che sembra risolvere questi antichi misteri.

"Le persone hanno cercato di imparare come le dislocazioni modificano le proprietà del materiale:le proprietà elettriche e termiche, " Li dice. "Prima d'ora, c'erano molti modelli empirici, che necessitano di parametri di adattamento per essere completi. C'è stato un lungo dibattito sulla natura della diffusione dei fononi nelle dislocazioni".

La nuova teoria, Li dice, ha un punto di partenza diverso, poiché si basa su una rigorosa teoria quantistica dei campi. Sembra risolvere una serie di problemi, compreso un dibattito tra due punti di vista noti come approcci di dispersione dinamica e statica, mostrando che sono semplicemente
due casi estremi in questo nuovo quadro. E mentre entrambi questi approcci non riescono a spiegare il comportamento su scala nanometrica, il nuovo approccio funziona bene su queste scale.

I risultati potrebbero influenzare la ricerca di migliori materiali termoelettrici, che può convertire il calore in elettricità. Questi sono usati per generare energia dal calore di scarto, o fornire riscaldatori per i sedili delle auto. I sistemi termoelettrici possono anche fornire raffreddamento, per casse per bibite fredde, Per esempio.

Chen, chi è il professore di ingegneria energetica Carl Richard Soderberg, attribuisce le nuove scoperte all'iniziativa di Li. "Non ci ho riposto così tanta speranza, " Ha detto Chen. "È un problema piuttosto complesso:come le dislocazioni influenzano queste proprietà molto importanti. ... Sono rimasto molto sorpreso quando è tornato con questa nuova teoria. È partito dai principi di base e ne ha ricavato una descrizione quantistica."

Li e il suo team hanno fatto "un passo avanti riuscendo a spiegare la natura a lungo raggio del campo di deformazione della dislocazione, trattandolo come un nuovo oggetto di meccanica quantistica chiamato dislon, "dice Jeffrey Snyder, un professore alla Northwestern University, che non era collegato a questo lavoro. "Combinare questo con il trattamento quantomeccanico dell'interazione dislon-elettrone potrebbe portare a nuove strategie per ottimizzare i materiali utilizzando approcci metallurgici per ingegnerizzare la struttura, genere, e la posizione delle dislocazioni all'interno di un materiale."

"Le dislocazioni hanno effetti profondi sulle proprietà dei materiali, ma fino ad ora la natura a lungo raggio del campo di deformazione ha impedito calcoli diretti degli effetti di dislocazione, "dice David J. Singh, un professore dell'Università del Missouri, anch'egli non coinvolto in questo lavoro. "La quantizzazione sviluppata in questo articolo fa molto per risolvere questi problemi. Mi aspetto che questo nuovo formalismo porterà a una comprensione notevolmente migliore degli effetti delle dislocazioni sulle proprietà elettriche e termiche dei materiali. Questo lavoro è un importante passo avanti. "

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.