Des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont fait les premières observations de vagues de réarrangements atomiques, connu sous le nom de phaseurs, se propageant de manière supersonique à travers un réseau cristallin vibrant, une découverte qui pourrait considérablement améliorer le transport de chaleur dans les isolants et permettre de nouvelles stratégies de gestion de la chaleur dans les futurs appareils électroniques.

"La découverte vous offre une manière différente de contrôler le flux de chaleur, " a déclaré l'auteur principal Michael Manley de l'article publié dans Communication Nature . "Il fournit un raccourci à travers le matériau - un moyen d'envoyer l'énergie du mouvement atomique pur à une vitesse supérieure à celle des phonons [vibrations atomiques]. Ce raccourci peut ouvrir des possibilités de gestion de la chaleur des matériaux à l'échelle nanométrique. Imaginez la possibilité de un disjoncteur thermique, par exemple."

Les scientifiques ont utilisé la diffusion de neutrons pour mesurer des phasons avec des vitesses environ 2,8 fois et environ 4,3 fois plus rapides que les "limites de vitesse" naturelles des ondes acoustiques longitudinales et transversales, respectivement. "Nous ne nous attendions pas à ce qu'ils aillent aussi vite sans [fading], " a déclaré Manley.

Les isolants sont nécessaires dans les appareils électroniques pour éviter les courts-circuits; mais sans électrons libres, le transport thermique est limité à l'énergie du mouvement atomique. D'où, comprendre le transport de la chaleur par le mouvement atomique dans les isolants est important.

Les chercheurs ont dispersé des neutrons dans la fresnoite, un minéral cristallin ainsi nommé parce qu'il a été trouvé pour la première fois à Fresno, Californie. Il est prometteur pour les applications de capteurs grâce à sa propriété piézoélectrique, ce qui lui permet de transformer les contraintes mécaniques en champs électriques.

Fresnoite a une structure de cadre flexible qui développe un ordre concurrent dans la structure qui ne correspond pas à l'ordre cristallin sous-jacent, comme une superposition de carreaux dépareillés. Les phases sont des excitations associées à des réarrangements atomiques dans le cristal qui modifient la phase des ondes décrivant le décalage dans la structure.

Les différences de phase s'accumulent dans un réseau de rides appelé solitons. Les solitons sont des ondes solitaires qui se propagent avec peu de perte d'énergie et conservent leur forme. Ils peuvent également déformer l'environnement local d'une manière qui leur permet de voyager plus vite que le son.

"Le soliton est une région très déformée du cristal où les déplacements des atomes sont importants et la relation force-déplacement n'est plus linéaire, " a déclaré Manley. " La rigidité du matériau est localement améliorée dans le soliton, conduisant à un transfert d'énergie plus rapide."

Raffi Sahul de Meggitt Sensing Systems d'Irvine, Californie, a fait croître un monocristal de fresnoite et l'a envoyé à l'ORNL pour des expériences de diffusion de neutrons que Manley a conçues pour caractériser la façon dont l'énergie se déplaçait à travers le cristal. "Les neutrons sont le meilleur moyen d'étudier cela parce que leurs longueurs d'onde et leurs énergies sont en quelque sorte adaptées aux vibrations atomiques, " a déclaré Manley.

Manley a effectué des mesures avec Paul Stonaha, Doug Abernathy et John Budai utilisant la diffusion de neutrons en temps de vol à la source de neutrons de spallation, et avec Stonaha, Songxue Chi, et Raphael Hermann utilisant la diffusion de neutrons à trois axes dans le réacteur isotopique à haut flux.

Chez SNS, les scientifiques ont commencé avec une source pulsée de neutrons de différentes énergies et ont utilisé l'instrument ARCS, qui sélectionne les neutrons dans une plage d'énergie étroite et les disperse sur un échantillon afin que les détecteurs puissent cartographier le transfert d'énergie et de quantité de mouvement sur une large plage.

"La grande zone de mesure était importante pour cette étude car les caractéristiques n'étaient pas là où vous vous attendriez normalement à ce qu'elles soient, " a déclaré Abernathy. " Cela donne aux mesures de neutrons une grande chance de déterminer les vitesses des phasons de propagation, calculé à partir de la pente de leurs courbes de dispersion.

La dispersion est la relation entre la longueur d'onde et l'énergie qui caractérise une onde qui se propage.

"Une fois que les mesures du SNS nous ont dit où chercher, nous avons utilisé la spectrométrie à trois axes au HFIR, qui a fourni un flux constant de neutrons, se concentrer sur ce seul point, " a déclaré Manley. " Une chose unique à propos du Laboratoire national d'Oak Ridge est que nous avons à la fois une source de spallation de classe mondiale et une source de réacteur de classe mondiale pour la recherche sur les neutrons. Nous pouvons faire des allers-retours entre les installations et avoir vraiment une vision globale des choses. »

Ensuite, les chercheurs exploreront d'autres cristaux qui, comme la fresnoite, peut faire tourner les phases. La contrainte appliquée avec un champ électrique peut être capable de changer la rotation. Les changements de température peuvent également faire varier les propriétés.

Le titre de l'article est "Propagation supersonique de l'énergie du réseau par les phasons dans la fresnoite".