超音波可以帮助电子设备抵御热量

美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员首次观察了原子重排波，称为相位，通过振动晶格超声传播 - 这一发现可以极大地改善绝缘体中的热传输，并为热管理提供新的策略在未来的电子设备中。

“这一发现为您提供了一种控制热量流动的不同方式，”该论文的主要作者Michael Manley在Nature Communications上发表文章说。“它提供了通过材料的快捷方式 - 一种以高于声子[原子振动]的速度发送纯原子运动能量的方法。这种捷径可以为纳米材料的热管理提供可能性。想象一下这种可能性例如，热断路器的一部分。“

科学家使用中子散射来测量相位，其速度分别是纵向和横向声波的自然“速度限制”的2.8倍和约4.3倍。“没有[褪色]，我们没想到它们会那么快，”曼利说。

电子设备中必须使用绝缘体以防止短路; 但是没有自由电子，热传输仅限于原子运动的能量。因此，了解绝缘体中原子运动产生的热量是很重要的。

研究人员将中子分散在fresnoite中，这是一种结晶矿物，因为它最初是在加利福尼亚州弗雷斯诺发现的。通过其压电特性使传感器应用成为可能，这使其能够将机械应力转化为电场。

Fresnoite具有灵活的框架结构，在结构中形成与底层晶体顺序不匹配的竞争顺序，如不匹配的瓷砖叠加。Phasons是与晶体中的原子重排相关的激发，其改变描述结构中的不匹配的波的相位。

相位差在皱纹晶格中累积 - 称为孤子。孤子是孤立的波，它们在几乎没有能量损失的情况下传播并保持其形状。它们还可以以一种允许它们比声音传播更快的方式来扭曲局部环境。

“孤子是晶体中一个非常变形的区域，原子的位移很大，力 - 位移关系不再是线性的，”曼利说。“孤子内的材料刚度局部增强，导致更快的能量转移。”

加利福尼亚州Irvine的Meggitt Sensing Systems的Raffi Sahul生长了一种单晶的fresnoite，并将其送到ORNL进行中子散射实验，Manley设想这些实验可以描述能量如何在晶体中移动。“中子是研究这种物质的最佳方式，因为它们的波长和能量在某种意义上与原子振动相匹配，”曼利说。

Manley使用Paul Stonaha，Doug Abernathy和John Budai在Spallation Neutron Source处使用飞行时间中子散射进行测量，并使用Stonaha，Songxue Chi和Raphael Hermann在High Flux同位素反应堆中使用三轴中子散射进行测量。

在SNS，科学家们开始使用不同能量的脉冲中子源，并使用ARCS仪器，该仪器选择能量范围很窄的中子并将其从样本中散射出去，因此探测器可以在很宽的范围内绘制能量和动量传递图。

“大型测量区域对于这项研究非常重要，因为这些特征并不是您通常所期望的那样，”Abernathy说。“这使得中子测量有很大的机会来确定传播阶段的速度，从它们的频散曲线的斜率计算出来。”

色散是波长和表征传播波的能量之间的关系。

“一旦SNS测量告诉我们在哪里观察，我们在HFIR使用了三轴光谱，提供了恒定的中子通量，专注于那一点，”Manley说。“橡树岭国家实验室的独特之处在于，我们拥有世界级的散裂源和世界级的中子研究反应堆来源。我们可以在设施之间来回走动，真正全面了解事物。”

接下来，研究人员将探索其他晶体，如fresnoite，可以旋转phasons。施加电场的应变可能能够改变旋转。温度的变化也可能改变属性。