Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory gjorde de första observationerna av vågor av atomära omarrangemang, kända som fasoner, fortplantas överljud genom ett vibrerande kristallgitter – en upptäckt som dramatiskt kan förbättra värmetransporten i isolatorer och möjliggöra nya strategier för värmehantering i framtida elektronikenheter.

"Upptäckten ger dig ett annat sätt att kontrollera värmeflödet, " sa huvudförfattaren Michael Manley av tidningen publicerad i Naturkommunikation . "Det ger en genväg genom materialet – ett sätt att skicka energin från ren atomrörelse med en hastighet som är högre än vad du kan med fononer [atomvibrationer]. Den här genvägen kan öppna möjligheter för värmehantering av material i nanoskala. Föreställ dig möjligheten att en termisk brytare, till exempel."

Forskarna använde neutronspridning för att mäta faser med hastigheter cirka 2,8 gånger och cirka 4,3 gånger snabbare än de naturliga "hastighetsgränserna" för longitudinella och tvärgående akustiska vågor, respektive. "Vi förväntade oss inte att de skulle gå så fort utan att [blekna] " sa Manley.

Isolatorer är nödvändiga i elektroniska enheter för att förhindra kortslutning; men utan fria elektroner, termisk transport är begränsad till atomrörelsens energi. Därav, Det är viktigt att förstå transporten av värme genom atomrörelse i isolatorer.

Forskarna spred neutroner i fresnoit, ett kristallint mineral som heter så eftersom det först hittades i Fresno, Kalifornien. Det är lovande för sensorapplikationer genom sin piezoelektriska egenskap, vilket gör att den kan omvandla mekanisk stress till elektriska fält.

Fresnoite har en flexibel ramstruktur som utvecklar en konkurrerande ordning i strukturen som inte matchar den underliggande kristallordningen, som en överlagring av felaktiga brickor. Fasoner är excitationer förknippade med atomära omarrangemang i kristallen som ändrar fasen för vågor som beskriver missanpassningen i strukturen.

Fasskillnader ackumuleras i ett gitter av rynkor - kallade solitoner. Solitoner är ensamma vågor som fortplantar sig med liten förlust av energi och behåller sin form. De kan också förvränga den lokala miljön på ett sätt som gör att de kan resa snabbare än ljud.

"Solitonen är ett mycket deformerat område i kristallen där atomernas förskjutningar är stora och kraft-förskjutningsförhållandet inte längre är linjärt, ", sa Manley. "Materialets styvhet förbättras lokalt i solitonen, leder till en snabbare energiöverföring."

Raffi Sahul från Meggitt Sensing Systems of Irvine, Kalifornien, odlade en enda kristall av fresnoit och skickade den till ORNL för neutronspridningsexperiment som Manley tänkte ut för att karakterisera hur energin rörde sig genom kristallen. "Neutroner är det bästa sättet att studera detta eftersom deras våglängder och energier på sätt och vis är matchade med atomvibrationerna, " sa Manley.

Manley utförde mätningar med Paul Stonaha, Doug Abernathy och John Budai använder sig av time-of-?ight neutronspridning vid Spallation Neutron Source, och med Stonaha, Songxue Chi, och Raphael Hermann med hjälp av trippelaxlig neutronspridning vid högflödesisotopreaktorn.

På SNS, forskarna började med en pulserande källa av neutroner med olika energier och använde ARCS-instrumentet, som väljer neutroner i ett smalt energiområde och sprider dem från ett prov så att detektorer kan kartlägga energi- och momentumöverföringen över ett brett område.

"Det stora mätområdet var viktigt för den här studien eftersom funktionerna inte var där du normalt skulle förvänta dig att de skulle vara, ", sa Abernathy. "Detta ger neutronmätningarna en stor chans att bestämma hastigheterna för de utbredningsfasoner, beräknat från lutningen av deras spridningskurvor."

Dispersion är förhållandet mellan våglängden och den energi som kännetecknar en utbredningsvåg.

"När SNS-mätningarna berättade var vi skulle leta, vi använde trippelaxelspektrometri vid HFIR, som gav ett konstant flöde av neutroner, att fokusera på den ena punkten, ", sa Manley. "En unik sak med Oak Ridge National Laboratory är att vi har både en spallationskälla i världsklass och en reaktorkälla i världsklass för neutronforskning. Vi kan gå fram och tillbaka mellan anläggningarna och verkligen få en heltäckande bild av saker och ting."

Därefter kommer forskarna att utforska andra kristaller som, som fresnoite, kan rotera faser. Töjning som appliceras med ett elektriskt fält kan kanske ändra rotationen. Förändringar i temperatur kan också variera egenskaper.

Titeln på uppsatsen är "Supersonisk utbredning av gitterenergi genom faser i fresnoit."