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Nov 11, 2023

Phasonen erhöhen die Wärmeleitfähigkeit inkommensurabler Kristalle

Neue Einblicke in das exotische thermische Verhalten von Phasonen – Quasiteilchen

Neue Erkenntnisse über das exotische thermische Verhalten von Phasonen – Quasiteilchen, die in inkommensurierten Kristallen vorkommen – haben Physiker in den USA gewonnen. Experimente von Michael Manley und Kollegen am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee haben gezeigt, dass diese Quasiteilchen eine wichtige Rolle beim Wärmetransport durch diese ungewöhnlichen Materialien spielen.

Phasonen sind phononenähnliche Quasiteilchen, die aus der kollektiven Bewegung von Atomen in inkommensurativen Kristallen entstehen. Hierbei handelt es sich um Materialien, die durch zwei oder mehr Untergitter beschrieben werden können, wobei die Verhältnisse zwischen den periodischen Abständen der Untergitter keine ganzen Zahlen sind. Die Entstehung und Ausbreitung eines Phasons beinhaltet eine Verschiebung der relativen Ausrichtung (oder Phase) der Untergitter, daher der Name des Quasiteilchens.

In kristallinen Materialien entstehen Quasiteilchen, sogenannte Phononen, wenn im Material eingelagerte Energie Atome zum Schwingen bringt. Phononen können dann durch das Gitter wandern und dabei Wärme mit sich führen. Daher spielen Phononen eine Rolle bei der Wärmeübertragung in Materialien – insbesondere in Isolatoren, in denen nur wenig Wärme durch Elektronen geleitet wird.

Seit einiger Zeit sagen Physiker voraus, dass Phasonen eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung des Wärmeflusses durch inkommensurable Kristalle spielen sollten. Tatsächlich können sich Phasonen im Gegensatz zu Phononen schneller als der Schall in Materialien fortbewegen und sollten weniger streuen als Phononen – beides dürfte ihre Wärmetransportfähigkeit verbessern.

Allerdings kommen inkommensurable Kristalle in der Natur selten vor, sodass einige wichtige Phasoneigenschaften noch immer kaum verstanden sind. Dazu gehört die Lebensdauer der Quasiteilchen und damit die durchschnittliche Distanz, die sie zurücklegen können, bevor sie aneinander streuen.

Um diese Eigenschaften zu erforschen, untersuchte Manleys Team einen inkommensurierten Kristall namens Fresnoit. Sie führten inelastische Neutronenstreuexperimente mit dem HYSPEC-Spektrometer an der Spallations-Neutronenquelle von Oak Ridge durch (siehe Abbildung). Neutronen sind eine ideale Sonde für eine solche Studie, da sie sowohl mit Phasonen als auch mit Phononen interagieren. Das Team führte auch Messungen der Wärmeleitfähigkeit des Materials durch. Ihre Experimente bestätigten, dass Phasonen einen wesentlichen Beitrag zum Wärmefluss durch Fresnoit leisten. Tatsächlich fanden sie heraus, dass der Beitrag der Phasonen zur Wärmeleitfähigkeit des Materials etwa 2,5-mal größer ist als der von Phononen bei Raumtemperatur.

Große, defektfreie Quasikristalle könnten durch „Selbstheilung“ hergestellt werden

Das Team fand heraus, dass die mittlere freie Weglänge der Phasonen etwa dreimal länger ist als die mittlere freie Weglänge der Phononen – was sie mit der Überschallgeschwindigkeit der Phasonen in Zusammenhang bringen. Darüber hinaus erreicht der Phasonenbeitrag zur Wärmeleitfähigkeit von Fresnoit nahe der Raumtemperatur seinen Höhepunkt, was viel höher ist als die Temperatur, bei der der Phononenbeitrag seinen Höhepunkt erreicht.

Manley und Kollegen hoffen, dass ihre Entdeckungen neue Möglichkeiten für Fresnoit und andere inkommensurable Kristalle in fortschrittlichen Wärmemanagement- und Temperaturkontrollanwendungen eröffnen könnten. Die Materialien könnten sogar in thermischen Logikschaltungen zum Einsatz kommen, die Informationen über den Wärmefluss übertragen könnten. Durch die Integration mit herkömmlicher Elektronik könnten solche Hybridsysteme dazu genutzt werden, durch Dissipation verlorene Wärme zu recyceln und so die Effizienz moderner Computersysteme zu steigern.

Die Forschung wird in den Physical Review Letters beschrieben.