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Nov 11, 2023

フェーゾンは不釣り合いな結晶の熱伝導率を高める

Nuove intuizioni sul comportamento termico esotico dei fasoni (quasiparticelle)

フェーゾン（不整合な結晶内に見られる準粒子）のエキゾチックな熱挙動に関する新たな洞察が米国の物理学者によって得られた。 テネシー州オークリッジ国立研究所のマイケル・マンリー氏らによって行われた実験は、これらの準粒子がこれらの珍しい物質を介して熱を輸送する際にどのように重要な役割を果たしているかを示した。

フェーゾンは、不整合な結晶内の原子の集団運動から生じるフォノンのような準粒子です。 これらは、2 つ以上の副格子を使用して記述できる材料であり、副格子の周期間隔間の比は整数ではありません。 フェーゾンの生成と伝播には、副格子の相対的な向き (または位相) のシフトが含まれるため、準粒子と呼ばれています。

結晶材料では、材料内に蓄積されたエネルギーが原子を振動させると、フォノンと呼ばれる準粒子が生成されます。 その後、フォノンは熱を運びながら格子を通過することができます。 その結果、フォノンは材料内、特に電子による熱の伝導がほとんどない絶縁体内での熱の伝達に役割を果たします。

しばらくの間、物理学者は、不釣り合いな結晶を通る熱の流れを促進する上でフェーゾンが重要な役割を果たすはずだと予測してきました。 実際、フォノンとは異なり、フェーゾンは物質内を音速よりも速く移動でき、フォノンよりも散乱が少なく、どちらも熱を運ぶ能力を高めるはずです。

しかし、不釣り合いな結晶は自然界では稀であるため、いくつかの重要なフェーゾン特性はまだよく理解されていません。 これには準粒子の寿命が含まれ、したがって準粒子が互いに散乱するまでに移動できる平均距離も含まれます。

これらの特性を調査するために、マンリーのチームはフレスノイトと呼ばれる不釣り合いな結晶を調べました。 彼らは、オークリッジの破砕中性子源でHYSPEC分光計を使用して非弾性中性子散乱実験を実行しました（図を参照）。 中性子はフェーソンとフォノンの両方と相互作用するため、このような研究には理想的なプローブです。 チームはまた、材料の熱伝導率の測定も行った。 彼らの実験では、フェーゾンがフレズノイトを通る熱の流れに大きく寄与していることが確認されました。 実際、彼らは、材料の熱伝導率に対するフェーゾンの寄与が、室温におけるフォノンの寄与よりも約 2.5 倍大きいことを発見しました。

大きくて欠陥のない準結晶は「自己修復」によって作成できる可能性がある

研究チームは、フェーゾン平均自由行程がフォノン平均自由行程よりも約3倍長いことを発見しました。これはフェーゾンの超音速に関係しています。 さらに、フレスノイトの熱伝導率に対するフェーゾンの寄与は室温付近でピークに達し、フォノンの寄与がピークとなる温度よりもはるかに高くなります。

マンリーらは、彼らの発見によって、高度な熱管理や温度制御用途において、フレズノイトや他の不釣り合いな結晶に新たな機会が開かれる可能性があると期待している。 この材料は、熱の流れを介して情報を伝達できる熱論理回路にも使用される可能性があります。 このようなハイブリッド システムを従来の電子機器と統合すれば、放散によって失われた熱を再利用することができ、それによって最新のコンピューティング システムの効率が向上します。

この研究は Physical Review Letters に記載されています。