Una nueva investigación ofrece información sobre cómo las dislocaciones de cristales, un tipo común de defecto en los materiales, pueden afectar el transporte eléctrico y de calor a través de los cristales, a un nivel microscópico y de mecánica cuántica.
Las dislocaciones en los cristales son lugares donde la estructura tridimensional ordenada de una red cristalina, cuya disposición de los átomos se repite con exactamente el mismo espacio, se interrumpe. El efecto es como si un cuchillo hubiera cortado el cristal y luego ellas piezas se volvieron a unir, torcidas desde sus posiciones originales. Estos defectos tienen un fuerte efecto en los fonones, los modos de vibración reticular que juegan un papel en las propiedades térmicas y eléctricas de los cristales a través de los cuales viajan. Pero una comprensión precisa de laEl mecanismo de la interacción dislocación-fonón ha sido evasivo y controvertido, lo que ha frenado el progreso hacia el uso de dislocaciones para adaptar las propiedades térmicas de los materiales.
Un equipo del MIT ha podido conocer detalles importantes sobre cómo funcionan esas interacciones, lo que podría informar los esfuerzos futuros para desarrollar dispositivos termoeléctricos y otros sistemas electrónicos. Los hallazgos se informan en la revista Nano letras en un documento en coautoría del postdoc Mingda Li, el profesor jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica Gang Chen, el fallecido profesor del Instituto Emerita Mildred Dresselhaus y otros cinco.
Las dislocaciones, que Li describe como "irregularidades atómicas en un cristal normal", son defectos muy comunes en los cristales y afectan, por ejemplo, a cómo se disipa el calor a través de un microchip de silicio o qué tan bien fluye la corriente a través de un panel solar de silicio.
Li explica que ha habido dos enfoques competitivos para explicar las interacciones de dislocación de fonones, y algunas otras preguntas sobre ellos han quedado sin resolver. Ahora, el equipo del MIT ha encontrado un nuevo enfoque matemático para analizar tales sistemas, utilizando una nueva cuasipartícula queformulado llamado "dislon", que es una versión cuantificada de una dislocación, que parece resolver estos misterios de larga data.
"La gente ha tratado de aprender cómo las dislocaciones cambian las propiedades del material, las propiedades eléctricas y térmicas", dice Li. "Antes de ahora, había muchos modelos empíricos, que necesitaban parámetros de ajuste para completarse. Hubo un largo debatesobre la naturaleza de la dispersión de fonones en dislocaciones "
La nueva teoría, dice Li, tiene un punto de partida diferente, ya que se basa en una rigurosa teoría de campo cuántico. Parece resolver una serie de problemas, incluido un debate entre dos puntos de vista conocidos como los enfoques de dispersión dinámica y estática, mostrandoson simplemente dos casos extremos dentro de este nuevo marco y, si bien ambos enfoques no explican el comportamiento a nanoescala, el nuevo enfoque funciona bien a tales escalas.
Los hallazgos podrían afectar la búsqueda de mejores materiales termoeléctricos, que pueden convertir el calor en electricidad. Estos se utilizan para generar energía a partir del calor residual o para proporcionar calentadores para los asientos de los automóviles. Los sistemas termoeléctricos también pueden proporcionar refrigeración, para cofres de bebidas frías,por ejemplo.
Chen, quien es el Profesor Carl Richard Soderberg de Ingeniería Eléctrica, atribuye los nuevos hallazgos a la iniciativa de Li. "No tenía mucha esperanza", dijo Chen. "Es un problema bastante complejo: cómo las dislocaciones afectan estospropiedades muy importantes ... Me sorprendió mucho cuando volvió con esta nueva teoría. Comenzó a partir de principios básicos y derivó una descripción cuántica para ello ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :