De nouvelles recherches permettent de mieux comprendre comment les dislocations cristallines - un type courant de défaut des matériaux - peuvent affecter le transport électrique et thermique à travers les cristaux, au microscope, niveau de la mécanique quantique.

Les dislocations dans les cristaux sont des endroits où la structure tridimensionnelle ordonnée d'un réseau cristallin - dont la disposition des atomes se répète avec exactement le même espacement - est perturbée. L'effet est comme si un couteau avait tranché le cristal puis que les morceaux étaient recollés, de travers de leurs positions d'origine. Ces défauts ont un effet fort sur les phonons, les modes de vibration du réseau qui jouent un rôle dans les propriétés thermiques et électriques des cristaux à travers lesquels ils voyagent. Mais une compréhension précise du mécanisme de l'interaction dislocation-phonon a été insaisissable et controversée, ce qui a ralenti les progrès vers l'utilisation des dislocations pour adapter les propriétés thermiques des matériaux.

Une équipe du MIT a pu apprendre des détails importants sur le fonctionnement de ces interactions, qui pourraient éclairer les efforts futurs pour développer des dispositifs thermoélectriques et d'autres systèmes électroniques. Les résultats sont rapportés dans le journal Lettres nano , dans un article co-écrit par le postdoc Mingda Li, Chef du département de génie mécanique, professeur Gang Chen, feu la professeure émérite de l'Institut Mildred Dresselhaus, et cinq autres.

Les dislocations - que Li décrit comme des « irrégularités atomiques dans un cristal régulier » - sont des défauts très courants dans les cristaux, et ils affectent, par exemple, comment la chaleur se dissipe à travers une micropuce en silicium ou comment le courant circule bien à travers un panneau solaire en silicium.

Il y a eu deux approches concurrentes pour expliquer les interactions phonons-dislocation, Li explique, et quelques autres questions à leur sujet sont restées en suspens. Maintenant, l'équipe du MIT a trouvé une nouvelle approche mathématique pour analyser de tels systèmes, en utilisant une nouvelle quasiparticule qu'ils ont formulée appelée "dislon, " qui est une version quantifiée d'une luxation, qui semble résoudre ces mystères de longue date.

"Les gens ont essayé d'apprendre comment les dislocations modifient les propriétés des matériaux - les propriétés électriques et thermiques, " dit Li. " Avant maintenant, il existait de nombreux modèles empiriques, qui nécessitent des paramètres d'ajustement pour être complets. Il y a eu un long débat sur la nature de la diffusion des phonons dans les dislocations."

La nouvelle théorie, Li dit, a un point de départ différent, car il est basé sur une théorie quantique rigoureuse des champs. Cela semble résoudre un certain nombre de problèmes, y compris un débat entre deux points de vue connus sous le nom d'approches de diffusion dynamique et statique, montrant qu'ils sont simplement
deux cas extrêmes dans ce nouveau cadre. Et bien que ces deux approches ne parviennent pas à expliquer le comportement à l'échelle nanométrique, la nouvelle approche fonctionne bien à de telles échelles.

Les résultats pourraient affecter la recherche de meilleurs matériaux thermoélectriques, qui peut convertir la chaleur en électricité. Ceux-ci sont utilisés pour produire de l'électricité à partir de la chaleur résiduelle, ou fournir des radiateurs pour les sièges d'auto. Les systèmes thermoélectriques peuvent également fournir un refroidissement, pour les coffres à boissons fraîches, par exemple.

Chen, qui est le professeur Carl Richard Soderberg d'ingénierie énergétique, attribue les nouvelles découvertes à l'initiative de Li. "Je n'y ai pas mis beaucoup d'espoir, " a dit Chen. " C'est un problème assez complexe :comment les dislocations affectent ces propriétés très importantes. ... J'ai été très surpris quand il est revenu avec cette nouvelle théorie. Il est parti de principes de base et en a tiré une description quantique."

Li et son équipe ont fait "une percée en étant capable de tenir compte de la nature à longue distance du champ de déformation de dislocation, en le traitant comme un nouvel objet de mécanique quantique appelé le dislon, " dit Jeffery Snyder, professeur à la Northwestern University, qui n'était pas lié à ce travail. "Combiner cela avec le traitement mécanique quantique de l'interaction dislon-électron pourrait conduire à de nouvelles stratégies pour optimiser les matériaux en utilisant des approches métallurgiques pour concevoir la structure, taper, et l'emplacement des dislocations au sein d'un matériau."

"Les dislocations ont des effets profonds sur les propriétés des matériaux, mais jusqu'à présent, la nature à longue distance du champ de déformation a empêché les calculs directs des effets de dislocation, " dit David J. Singh, un professeur à l'Université du Missouri qui n'était pas non plus impliqué dans ce travail. « La quantification développée dans cet article contribue grandement à résoudre ces problèmes. Je pense que ce nouveau formalisme conduira à une compréhension considérablement améliorée des effets des dislocations sur les propriétés électriques et thermiques des matériaux. Ce travail est un grand pas en avant. "

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.