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Nov 11, 2023

I fasoni aumentano la conduttività termica di cristalli incommensurabili

New insights into the exotic thermal behaviour of phasons – quasiparticles that

I fisici statunitensi hanno acquisito nuove conoscenze sull’esotico comportamento termico dei fasoni – quasiparticelle che si possono trovare in cristalli incommensurabili. Gli esperimenti condotti da Michael Manley e colleghi presso l'Oak Ridge National Laboratory nel Tennessee hanno dimostrato come queste quasiparticelle svolgano un ruolo importante nel trasporto del calore attraverso questi materiali insoliti.

I fasoni sono quasiparticelle simili a fononi che nascono dai movimenti collettivi degli atomi in cristalli incommensurabili. Si tratta di materiali che possono essere descritti utilizzando due o più sottoreticoli, dove i rapporti tra le spaziature periodiche dei sottoreticoli non sono interi. La creazione e la propagazione di un fasone comporta uno spostamento nell'orientamento relativo (o fase) dei sottoreticoli, da cui il nome della quasiparticella.

Nei materiali cristallini, le quasiparticelle chiamate fononi vengono create quando l'energia depositata nel materiale fa vibrare gli atomi. I fononi possono quindi viaggiare attraverso il reticolo, portando con sé il calore. Di conseguenza, i fononi svolgono un ruolo nel modo in cui il calore viene trasferito nei materiali, in particolare negli isolanti dove poco calore viene condotto dagli elettroni.

Da qualche tempo, i fisici hanno previsto che i fasoni dovrebbero svolgere un ruolo chiave nel migliorare il flusso di calore attraverso cristalli incommensurabili. Infatti, a differenza dei fononi, i fasoni possono viaggiare più velocemente della velocità del suono all’interno dei materiali e dovrebbero disperdersi meno dei fononi – entrambi i quali dovrebbero migliorare le loro capacità di trasporto del calore.

Tuttavia, i cristalli incommensurabili sono rari in natura, quindi diverse caratteristiche chiave dei fasoni sono ancora poco conosciute. Ciò include la vita media delle quasiparticelle e, di conseguenza, la distanza media che possono percorrere prima di diffondersi a vicenda.

Per esplorare queste proprietà, il team di Manley ha esaminato un cristallo incommensurabile chiamato fresnoite. Hanno eseguito esperimenti di diffusione anelastica di neutroni utilizzando lo spettrometro HYSPEC sulla sorgente di neutroni a spallazione di Oak Ridge (vedi figura). I neutroni sono una sonda ideale per tale studio perché interagiscono sia con i fasoni che con i fononi. Il team ha inoltre effettuato misurazioni della conduttività termica del materiale. I loro esperimenti hanno confermato che i fasoni danno un contributo importante al flusso di calore attraverso la fresnoite. Infatti, hanno scoperto che il contributo dei fasoni alla conduttività termica del materiale è circa 2,5 volte maggiore di quello dei fononi a temperatura ambiente.

Si potrebbero creare quasicristalli grandi e privi di difetti mediante l'"autoriparazione"

Il team ha scoperto che il percorso libero medio del fasone è circa tre volte più lungo del percorso libero medio del fonone, che viene messo in relazione alla velocità supersonica dei fasoni. Inoltre, il contributo del fasone alla conduttività termica della fresnoite raggiunge il picco vicino alla temperatura ambiente, che è molto più elevata della temperatura alla quale il contributo del fonone raggiunge il picco.

Manley e colleghi sperano che le loro scoperte possano aprire nuove opportunità per la fresnoite e altri cristalli non commensurabili in applicazioni avanzate di gestione del calore e controllo della temperatura. I materiali potrebbero anche essere utilizzati nei circuiti logici termici, che potrebbero trasmettere informazioni attraverso il flusso di calore. Se integrati con l’elettronica convenzionale, tali sistemi ibridi potrebbero essere utilizzati per riciclare il calore perso attraverso la dissipazione, aumentando così l’efficienza dei moderni sistemi informatici.

La ricerca è descritta in Physical Review Letters.