Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy maakten de eerste waarnemingen van golven van atomaire herschikkingen, bekend als fases, zich supersonisch voortplanten door een trillend kristalrooster - een ontdekking die het warmtetransport in isolatoren drastisch kan verbeteren en nieuwe strategieën voor warmtebeheer in toekomstige elektronische apparaten mogelijk kan maken.

"De ontdekking geeft je een andere manier om de warmtestroom te regelen, " zei hoofdauteur Michael Manley van het artikel gepubliceerd in Natuurcommunicatie . "Het biedt een kortere weg door het materiaal - een manier om de energie van pure atomaire beweging te sturen met een snelheid die hoger is dan je kunt met fononen [atomaire trillingen]. Deze kortere weg kan mogelijkheden openen voor warmtebeheer van materialen op nanoschaal. Stel je de mogelijkheid voor van een thermische stroomonderbreker, bijvoorbeeld."

De wetenschappers gebruikten neutronenverstrooiing om fasonen te meten met snelheden die ongeveer 2,8 keer en ongeveer 4,3 keer sneller zijn dan de natuurlijke "snelheidslimieten" van longitudinale en transversale akoestische golven, respectievelijk. "We hadden niet verwacht dat ze zo snel zouden gaan zonder [vervaging], ' zei Manley.

Isolatoren zijn nodig in elektronische apparaten om kortsluiting te voorkomen; maar zonder vrije elektronen, thermisch transport is beperkt tot de energie van atomaire beweging. Vandaar, het is belangrijk om het transport van warmte door atomaire beweging in isolatoren te begrijpen.

De onderzoekers verspreidden neutronen in fresnoiet, een kristallijn mineraal zo genoemd omdat het voor het eerst werd gevonden in Fresno, Californië. Het is veelbelovend voor sensortoepassingen door zijn piëzo-elektrische eigenschap, waardoor het mechanische spanning kan omzetten in elektrische velden.

Fresnoite heeft een flexibele raamwerkstructuur die een concurrerende orde in de structuur ontwikkelt die niet overeenkomt met de onderliggende kristalorde, als een overlay van niet-overeenkomende tegels. Fasons zijn excitaties geassocieerd met atomaire herschikkingen in het kristal die de fase van golven veranderen die de mismatch in de structuur beschrijven.

Faseverschillen stapelen zich op in een rooster van rimpels, solitonen genaamd. Solitonen zijn solitaire golven die zich met weinig energieverlies voortplanten en hun vorm behouden. Ze kunnen ook de lokale omgeving zodanig vervormen dat ze sneller kunnen reizen dan het geluid.

"De soliton is een zeer vervormd gebied in het kristal waar de verplaatsingen van de atomen groot zijn en de kracht-verplaatsingsrelatie niet langer lineair is, " zei Manley. "De materiële stijfheid is lokaal verbeterd binnen de soliton, wat leidt tot een snellere energieoverdracht."

Raffi Sahul van Meggitt Sensing Systems van Irvine, Californië, groeide een enkel kristal van fresnoiet en stuurde het naar ORNL voor experimenten met neutronenverstrooiing die Manley bedacht om te karakteriseren hoe energie door het kristal bewoog. "Neutronen zijn de beste manier om dit te bestuderen omdat hun golflengten en energieën in zekere zin overeenkomen met de atomaire trillingen, ' zei Manley.

Manley deed metingen met Paul Stonaha, Doug Abernathy en John Budai met behulp van time-of-ight neutronenverstrooiing bij de Spallation Neutron Source, en met Stonaha, Songxue-Chi, en Raphael Hermann met behulp van drieassige neutronenverstrooiing in de High Flux Isotope Reactor.

Bij SNS, de wetenschappers begonnen met een gepulseerde bron van neutronen van verschillende energieën en gebruikten het ARCS-instrument, die neutronen in een smal energiebereik selecteert en ze van een monster verstrooit, zodat detectoren de energie- en impulsoverdracht over een breed bereik in kaart kunnen brengen.

"Het grote meetgebied was belangrijk voor deze studie omdat de kenmerken niet waren waar je ze normaal zou verwachten, "zei Abernathy. "Dit geeft de neutronenmetingen een grote kans om de snelheden van de zich voortplantende fasen te bepalen, berekend uit de helling van hun dispersiecurven."

Dispersie is de relatie tussen de golflengte en de energie die een voortplantende golf kenmerkt.

"Toen de SNS-metingen ons vertelden waar we moesten kijken, we gebruikten drieassige spectrometrie bij HFIR, die zorgde voor een constante stroom van neutronen, om je op dat ene punt te concentreren, "Zei Manley. "Het unieke van Oak Ridge National Laboratory is dat we zowel een spallatiebron van wereldklasse hebben als een reactorbron van wereldklasse voor neutronenonderzoek. We kunnen heen en weer gaan tussen faciliteiten en echt een volledig beeld krijgen van de dingen."

Vervolgens zullen de onderzoekers andere kristallen onderzoeken die, zoals fresnoiet, fases kunnen roteren. Spanning toegepast met een elektrisch veld kan de rotatie veranderen. Veranderingen in temperatuur kunnen ook van eigenschappen verschillen.

De titel van het artikel is "Supersonische voortplanting van roosterenergie door fasonen in fresnoiet."