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Apr 21, 2023

페이손은 부적절한 결정의 열전도도를 높입니다.

페이손(phason)의 이국적인 열 거동에 대한 새로운 통찰력 – 준입자

크기가 맞지 않는 결정에서 발견되는 준입자인 페이손(phason)의 이국적인 열 거동에 대한 새로운 통찰력이 미국의 물리학자들에 의해 얻어졌습니다. 테네시주 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 마이클 맨리(Michael Manley)와 동료들이 수행한 실험에서는 이러한 준입자가 이러한 특이한 물질을 통해 열을 전달하는 데 어떻게 중요한 역할을 하는지 보여주었습니다.

페이손(Phason)은 서로 맞지 않는 결정에서 원자의 집단 운동으로 인해 발생하는 포논과 같은 준입자입니다. 이는 두 개 이상의 부격자를 사용하여 설명할 수 있는 재료이며, 부격자의 주기적인 간격 사이의 비율은 정수가 아닙니다. 페이손의 생성과 전파에는 부격자의 상대적 방향(또는 위상)의 변화가 포함되므로 준입자라는 이름이 붙었습니다.

결정질 물질에서는 물질에 축적된 에너지로 인해 원자가 진동할 때 포논이라고 불리는 준입자가 생성됩니다. 그러면 포논은 격자를 통해 이동하면서 열을 전달할 수 있습니다. 결과적으로 포논은 재료, 특히 전자에 의해 열이 거의 전도되지 않는 절연체에서 열이 전달되는 방식에 중요한 역할을 합니다.

한동안 물리학자들은 페이손이 맞지 않는 결정을 통해 열의 흐름을 향상시키는 데 중요한 역할을 해야 한다고 예측해 왔습니다. 실제로 포논과 달리 페이손은 물질 내부의 소리 속도보다 빠르게 이동할 수 있으며 포논보다 덜 산란해야 합니다. 두 가지 모두 열 전달 능력을 향상시켜야 합니다.

그러나 크기가 맞지 않는 결정은 본질적으로 드물기 때문에 몇 가지 주요 페이손 특성은 여전히 ​​잘 이해되지 않습니다. 여기에는 준입자의 수명과 결과적으로 서로 흩어지기 전에 이동할 수 있는 평균 거리가 포함됩니다.

이러한 특성을 조사하기 위해 Manley 팀은 프레즈노이트(fresnoite)라고 불리는 크기가 맞지 않는 결정을 조사했습니다. 그들은 Oak Ridge의 Spallation Neutron Source(그림 참조)에서 HYSPEC 분광계를 사용하여 비탄성 중성자 산란 실험을 수행했습니다. 중성자는 페이손 및 포논과 상호 작용하기 때문에 이러한 연구에 이상적인 프로브입니다. 연구팀은 또한 재료의 열전도율도 측정했습니다. 그들의 실험은 페이손이 프레즈노이트를 통한 열 흐름에 주요한 기여를 한다는 것을 확인했습니다. 실제로 그들은 물질의 열 전도성에 대한 페이손의 기여가 실온에서 포논의 기여보다 약 2.5배 더 크다는 것을 발견했습니다.

크고 결함 없는 준결정은 '자가 치유'로 만들어질 수 있다

팀은 페이손 평균 자유 경로가 포논 평균 자유 경로보다 약 3배 길다는 것을 발견했습니다. 이는 페이손의 초음속 속도와 관련이 있습니다. 더욱이, 프레즈노이트의 열전도도에 대한 페이슨 기여는 실온 근처에서 최고조에 달하며, 이는 포논 기여도가 최고조에 달하는 온도보다 훨씬 높습니다.

Manley와 동료들은 그들의 발견이 고급 열 관리 및 온도 제어 응용 분야에서 프레즈노이트 및 기타 부적절한 결정에 대한 새로운 기회를 열 수 있기를 바라고 있습니다. 이 재료는 열의 흐름을 통해 정보를 전달할 수 있는 열 논리 회로에도 사용될 수 있습니다. 이러한 하이브리드 시스템을 기존 전자 장치와 통합하면 소산을 통해 손실된 열을 재활용하여 최신 컴퓨팅 시스템의 효율성을 높일 수 있습니다.

연구는 Physical Review Letters에 설명되어 있습니다.