Alessio Zaccone tərəfindən

Lisa Lock tərəfindən redaktə edilib , Robert Egan tərəfindən nəzərdən keçirilib

 Redaktorların qeydləriMüəllif: Alessio Zaccone, Süni intellekt tərəfindən yaradılan şəkil, ChatGPT

Karyeramın böyük bir hissəsində materialların ölçülərini nanomiqyasda kiçiltdiyimiz zaman onların necə davrandığı məni heyran edib. Dəfələrlə öyrənmişəm ki, bir materialı bir neçə nanometr qalınlığa qədər kiçiltdikdə, fizikanın tanış dərslik qaydaları əyilməyə, uzanmağa və ya bəzən tamamilə qırılmağa başlayır. İstilik daşınması bunun xüsusilə maraqlı olduğu sahələrdən biridir, çünki istilik atom qəfəsinin kvantlanmış titrəmələri olan fononlar tərəfindən daşınır və fononlar fəza məhdudiyyətlərinə olduqca həssasdırlar.

Bir neçə il əvvəl ədəbiyyatda çaşdırıcı bir şey ortaya çıxdı. Molekulyar dinamika simulyasiyaları göstərdi ki, ultra nazik silikon təbəqələr təxminən bir-iki nanometr qalınlığında istilik keçiriciliyində müəyyən bir minimum nümayiş etdirir ki, bu da cəmi bir neçə atom təbəqəsinə uyğundur. Daha da təəccüblüsü odur ki, material daha da nazik hala gətirildikdə, həddindən artıq məhdudluğa və 2D həddinə yaxınlaşdıqda istilik keçiriciliyi yenidən artmağa başlayır.

Bu, hər bir ənənəvi modelin proqnozlaşdırdığı şeyə ziddir. Boltzmann nəqliyyat tənliyi və ya Fuchs-Zondheimer sərhəd səpələnmə çərçivəsi kimi klassik nəzəriyyələrə görə, qalınlığın azaldılması istilik keçiriciliyini monoton şəkildə azaltmalıdır, çünki fononların sərbəst hərəkət etməsi və istilik daşıması üçün sadəcə daha az yer var. Lakin Pittsburqdakı Karnegi Mellon Universitetində Alan MakQoqi komandası tərəfindən aparılan simulyasiyalar bunun əksini təkid etdi və heç bir qurulmuş nəzəriyyə bunun səbəbini izah edə bilmədi.

Bu sirr məni geri çəkirdi. Atom miqyasında bu materialların içərisində belə qeyri-intuitiv bir dönüşə səbəb ola biləcək nə baş verirdi? ” Journal of Applied Physics” jurnalında redaktor seçimi kimi dərc olunmuş yeni məqaləmdə , məhdud fononlar probleminə fərqli bir perspektivdən yenidən baxaraq bu davranışı anlamağa çalışdım.

Kvant quyu modellərində geniş yayılmış bir yanaşma olan diskretləşdirilmiş modlar və ya altzolaqlar baxımından düşünmək əvəzinə, mən məhdudlaşdırmaya həndəsi baxımdan baxdım və fononların icazə verilən impuls vəziyyətlərinin qarşılıqlı fəzada necə yenidən formalaşdığına diqqət yetirdim.

Toplu materiallarda fononlar Debye sferası kimi tanınan qarşılıqlı fəzada sferik bir bölgəni tutur. Bir material çox incəldikdə, dalğa uzunluqları film qalınlığından çox olan fononlar artıq məhdud istiqamətdə mövcud ola bilməzlər. Mən bunu Debye sferasının içərisində iki sferik “dəlik” oymaq kimi təsəvvür etməyə başladım – impuls fəzası bölgələri, onlar sadəcə heç bir fonon vəziyyətinə icazə vermir, çünki onlarla əlaqəli dalğa uzunluqları filmin fiziki qalınlığına sığmayacaqdı.

Film incəldikcə, bu qadağan olunmuş bölgələr böyüyür və nəticədə Debye kürəsinin sərhədinə doğru xaricə doğru sıxılır və normalda sadə sferik səthi daha mürəkkəb formaya çevirir.

Bu həndəsi təhrif dərin nəticələrə malikdir. O, bir çox titrəmə hallarını daha aşağı tezliklərə doğru itələyir və adi kvadratik Debye qanununa əməl etmək əvəzinə, tezlik kubu kimi artan hal sıxlığı yaradır. Daha sadə dillə desək, fonon populyasiyasında uzun dalğa uzunluğunda, aşağı tezlikli titrəmələr üstünlük təşkil edir.

Bu rejimlər istiliyi daşımaqda olduqca səmərəlidir və onların dominantlığı film nə qədər məhdud olsa, bir o qədər güclənir. Məhz vibrasiya mənzərəsindəki bu dəyişiklik istilik keçiriciliyində gözlənilməz minimuma və son dərəcə məhdudlaşmada sonrakı artıma səbəb olur.

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Bu məhdudlaşdırma ilə induksiya edilmiş vəziyyət sıxlığını fonon istilik keçiriciliyi üçün standart düsturlarla birləşdirdiyim zaman nəzəri proqnoz simulyasiyalarla olduqca yaxşı uyğunlaşdı. Minimum, artıq silikon üçün bilinən parametrlərdən kənara çıxan tənzimlənən parametrlərə ehtiyac olmadan təbii olaraq ortaya çıxdı. Bu davranışın qarşılıqlı fəza həndəsəsinin birbaşa nəticəsi kimi görünməsini görmək çox məmnunedici idi, xüsusən də əvvəlki nəzəri çərçivələrdə onu təkrarlamaq üçün heç bir mexanizm olmadığı üçün.

Mənim üçün bu iş nanoskal fizika ilə bağlı vacib bir dərsi vurğulayır: ölçülülük həddinə yaxınlaşdıqda, problemi fundamental səviyyədə yenidən düşünməliyik. Toplu materiallarda etibar etdiyimiz adi fərziyyələr artıq tətbiq olunmaya bilər və yeni davranışlar ekzotik effektlərdən deyil, sistemin icazə verilən kvant vəziyyətlərinə dair sadə həndəsi məhdudiyyətlərdən yarana bilər. Bu halda, fonon impuls vəziyyətlərinin yenidən bölüşdürülməsi illərdir çaşdırıcı olaraq qalan bir fenomeni izah etmək üçün kifayət idi.

Bunun nəticələri silikon təbəqələrindən daha da irəli gedir. Məsələn, əvvəlki müşahidələr göstərdi ki, silikon nanotellərdə bu təsir daha da aydın və dramatikdir. Həmçinin, nanoskal materiallarda istilik axınının necə axdığını anlamaq texnologiyanın bir çox sahələri üçün vacibdir. Elektronika kiçilməyə davam etdikcə (məşhur Mur qanunu), həddindən artıq istiliyin qarşısını almaq üçün səmərəli istilik idarəetməsi vacib hala gəlir.

Kvant hesablamaları üçün kibitlər kimi kvant cihazları, hətta az miqdarda artıq istiliyin belə koherentliyi poza biləcəyi fonon populyasiyalarının dəqiq idarə olunmasından asılıdır. Termoelektrik materiallar səmərəliliyi artırmaq üçün fonon nəqlini manipulyasiya etməyə əsaslanır və eyni prinsiplər ikiölçülü və van der Waals materialları üçün dəyərli ola bilər, burada laylı strukturlar təbii olaraq məhdudlaşdırma effektləri yaradır.

İrəliyə baxanda, bu çərçivənin bir çox mümkün genişləndirmələri məni həyəcanlandırır. Əlavə səpələnmə mexanizmlərini daxil etmək, modeli müxtəlif nazik təbəqə və membran siniflərinə tətbiq etmək və məhdudlaşdırmanın ifrat keçirici cihazlara və ya kvant informasiya texnologiyalarına aid sistemlərə necə təsir etdiyini araşdırmaq üçün yer var. Bu istiqamətlərin hər biri təkcə istilik fizikasına deyil, həm də materialların mümkün olan ən kiçik ölçülərə sıxıldıqda necə davrandığına dair daha dərin suala yeni anlayışlar vəd edir.

Sonda məni motivasiya edən şey təbiətin həddinə çatanda necə işlədiyini kəşf etməyin sadə sevincidir. Nanoölçülü materiallar bizə istilik keçiriciliyi kimi tanış hadisələrin belə bizi təəccübləndirə biləcəyini xatırladır və hər bir sürpriz yeni fizikaya – və bəlkə də hələ təsəvvür etmədiyimiz yeni texnologiyalara qapı açır.

Bu hekayə , tədqiqatçıların dərc olunmuş tədqiqat məqalələrindən əldə etdikləri nəticələri bildirə biləcəyi Science X Dialog -un bir hissəsidir . Science X Dialog haqqında məlumat və necə iştirak etmək barədə məlumat üçün bu səhifəyə daxil olun .

Əlavə məlumat: Alessio Zaccone, Ultra nazik silikon təbəqələrində istilik keçiriciliyinin fonon-məhdudlaşdırma nəzəriyyəsi, Tətbiqi Fizika Jurnalı (2025). DOI: 10.1063/5.0304896

Jurnal məlumatı: Tətbiqi Fizika Jurnalı 

Alessio Zaccone 2010-cu ildə ETH Sürixin Kimya şöbəsindən doktorluq dərəcəsi almışdır. 2011-ci ildən 2014-cü ilə qədər Kembric Universitetinin Kavendiş Laboratoriyasında Oppenheimer tədqiqatçısı olmuşdur.

Münhen Texniki Universitetində (2014–2015) və Kembric Universitetində (2015–2018) dərs dedikdən sonra, 2022-ci ildən bəri Milan Universitetinin Fizika kafedrasında dosent, daha sonra isə tam professor və nəzəri fizika kafedrasının müdiri vəzifələrində çalışıb. Mükafatlara ETH Gümüş Medalı, Göttingen Elmlər Akademiyasının 2020-ci il Qauss professorluğu, Kembric Kraliça Kollecinin Təqaüd Proqramı və ERC Consolidator qrantı “Multimech” daxildir.

Tədqiqat töhfələrinə tıxanma keçidi probleminin analitik həlli (Zaccone & Scossa-Romano PRB 2011), 2D və 3D-də təsadüfi yaxın qablaşdırma probleminin analitik həlli (Zaccone PRL 2022), kəsmə axınlarında termal aktivləşdirilmiş reaksiya sürəti prosesləri nəzəriyyəsi (Zaccone və b. PRE 2009) daxildir.

Daha ətraflı araşdırın

Vahid model bərk maddələrdə vibrasiya anomaliyalarını izah edə bilər