Supersoniske bølger kan hjælpe elektronik med at slå varmen

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory foretog de første observationer af bølger af atomomlægninger, kendt som fasoner, formerer sig personligt gennem et vibrerende krystalgitter - en opdagelse, der dramatisk kan forbedre varmetransport i isolatorer og muliggøre nye strategier for varmestyring i fremtidige elektroniske enheder.

"Opdagelsen giver dig en anden måde at kontrollere varmestrømmen på, "sagde hovedforfatter Michael Manley i avisen, der blev offentliggjort i Naturkommunikation . "Det giver en genvej gennem materialet - en måde at sende energien fra ren atombevægelse med en hastighed, der er højere end du kan med fononer [atomvibrationer]. Denne genvej kan åbne muligheder for varmestyring af nanoskala materialer. Forestil dig muligheden for en termisk afbryder, for eksempel."

Forskerne brugte neutronspredning til at måle fasoner med hastigheder cirka 2,8 gange og cirka 4,3 gange hurtigere end de naturlige "hastighedsgrænser" for langsgående og tværgående akustiske bølger, henholdsvis. "Vi forventede ikke, at de skulle gå så hurtigt uden [fading], "Sagde Manley.

Isolatorer er nødvendige i elektroniske enheder for at forhindre kortslutninger; men uden frie elektroner, termisk transport er begrænset til atombevægelsens energi. Derfor, forståelse for transport af varme ved atombevægelse i isolatorer er vigtig.

Forskerne spredte neutroner i fresnoite, et krystallinsk mineral så navngivet, fordi det først blev fundet i Fresno, Californien. Det er lovende til sensorapplikationer gennem sin piezoelektriske egenskab, som gør det muligt at omdanne mekanisk spænding til elektriske felter.

Fresnoite har en fleksibel rammestruktur, der udvikler en konkurrerende orden i strukturen, der ikke matcher den underliggende krystalorden, som et overlæg af uoverensstemmende fliser. Fasoner er excitationer forbundet med atomomlægninger i krystallen, der ændrer fasen i bølger, der beskriver mismatchet i strukturen.

Faseforskelle ophobes i et gitter af rynker - kaldet solitons. Solitons er ensomme bølger, der formerer sig med lidt tab af energi og bevarer deres form. De kan også fordreje det lokale miljø på en måde, der giver dem mulighed for at rejse hurtigere end lyd.

"Soliton er en meget deformeret region i krystallen, hvor atomernes forskydninger er store, og kraft-forskydningsforholdet ikke længere er lineært, "Manley sagde." Materialestivheden øges lokalt i kabinen, fører til en hurtigere energioverførsel. "

Raffi Sahul fra Meggitt Sensing Systems of Irvine, Californien, voksede en enkelt krystal af fresnoit og sendte den til ORNL for neutronspredningsforsøg, som Manley tænkte på at karakterisere, hvordan energi bevægede sig gennem krystallen. "Neutroner er den bedste måde at studere dette på, fordi deres bølgelængder og energier på en måde matcher atomvibrationerne, "Sagde Manley.

Manley udførte målinger med Paul Stonaha, Doug Abernathy og John Budai ved hjælp af time-of-ight neutronspredning ved Spallation Neutron Source, og med Stonaha, Songxue Chi, og Raphael Hermann ved hjælp af triple-axis neutronspredning ved High Flux Isotope Reactor.

Hos SNS, forskerne startede med en pulserende kilde til neutroner med forskellige energier og brugte ARCS -instrumentet, som vælger neutroner i et snævert energiområde og spreder dem fra en prøve, så detektorer kan kortlægge energi og momentumoverførsel over et bredt område.

"Det store måleområde var vigtigt for denne undersøgelse, fordi funktionerne ikke var der, hvor du normalt ville forvente, at de skulle være, "sagde Abernathy." Dette giver neutronmålingerne en stor chance for at bestemme hastighederne på de formerende fasoner, beregnet ud fra hældningen af ​​deres spredningskurver. "

Dispersion er forholdet mellem bølgelængden og energien, der kendetegner en forplantende bølge.

"Når SNS -målingerne fortalte os, hvor vi skulle lede, vi brugte tre-akset spektrometri ved HFIR, som gav en konstant strøm af neutroner, at fokusere på det ene punkt, "Manley sagde." En unik ting ved Oak Ridge National Laboratory er, at vi både har en spallationskilde i verdensklasse og en reaktorkilde i verdensklasse til neutronforskning. Vi kan gå frem og tilbage mellem faciliteterne og virkelig få et samlet overblik over tingene. "

Dernæst vil forskerne udforske andre krystaller, der, som fresnoite, kan rotere fasoner. Stamme påført med et elektrisk felt kan muligvis ændre rotationen. Ændringer i temperatur kan også variere egenskaber.

Papirets titel er "Supersonisk udbredelse af gitterenergi af fasoner i fresnoit."