Przejęcie kontroli nad fononami
Fonony są głównymi nośnikami ciepła w ciałach stałych, zatem możliwość sterowania nimi otwiera nowe sposoby zarządzania energią cieplną i pozyskiwania jej w zintegrowanych systemach energetycznych. Fononami można manipulować na różne sposoby, co może pomóc w skutecznym wykorzystaniu ciepła odpadowego, które jest uwalniane przez wiele różnych systemów na globalną skalę. „Z drugiej strony, możliwość sterowania transportem fononów może stać się podstawą nowej technologii dla urządzeń logicznych, urządzeń do przechowywania danych czy też mechanizmów obliczeniowych wykorzystujących fonony w nowej dziedzinie fononiki”, mówi Eric Langenberg, koordynator finansowanego przez UE projektu PHONON-VALVE.
Jak manipulować fononami?
Projekt miał na celu przetestowanie koncepcji dotyczącej modulowania transportu fononów za pomocą pola elektrycznego, przy użyciu materiałów ferroelektrycznych jako barier fononowych zwanych ściankami domenowymi. Zespół projektu pragnął wykazać, że pola elektryczne można wykorzystać do umieszczenia ścianek domenowych w różnych częściach materiału, aby pełniły rolę zaworów, za pomocą których możliwe jest sterowanie fononami. „Nadrzędnym celem tego projektu było sprawdzenie, czy ścianki domenowe faktycznie ograniczają propagację fali fononowej”, zaznacza Langenberg. „Jeśli tak, materiały ferroelektryczne można uznać za doskonałych kandydatów do zastosowania w innowacyjnych urządzeniach wykorzystujących fonony”. Pierwszym krokiem uczonych pracujących nad projektem PHONON-VALVE było zaprojektowanie szerokiej gamy wzorów ferroelektrycznych ścianek domenowych. W tym celu wykorzystano ten sam materiał ferroelektryczny, ale o różnych gęstościach. Naukowcy wyhodowali cienkie warstwy materiału ferroelektrycznego, stosując praktykę zwaną inżynierią odkształceń. Zespół następnie dokonał pomiaru przewodnictwa cieplnego cienkich warstw ferroelektrycznych; był też w stanie określić wpływ ferroelektrycznych ścianek domenowych na propagację fali fononowej. W toku prac uczeni odkryli, że ścianki domenowe miały znaczący wpływ na przewodnictwo cienkich warstw – dużo większy niż w przypadku innych materiałów.
Tworzenie obwodów fononicznych
Mierząc przewodnictwo cieplne cienkich warstw ferroelektrycznych podczas przykładania pola elektrycznego, naukowcy odkryli, że obecne w nich ścianki domenowe – niezależnie od ich rodzaju – są bardzo plastyczne. Ostatecznie uczeni zdołali ograniczyć przewodnictwo cieplne o 61 % w temperaturze pokojowej (w porównaniu z przypadkiem jednodomenowym). „Innymi słowy, ferroelektryczne ściany domenowe mogą być równie skuteczne, co inne typy interfejsów, jeśli chodzi o hamowanie transmisji fononów, ale mają one tę podstawową zaletę, że można je elektrycznie modyfikować”, wyjaśnia Langenberg. W ten sposób naukowcy z projektu PHONON-VALVE wykazali, że w pewnych warunkach elektrycznie modulowane ścianki domenowe mogą być stabilne przez kilka dni, co jest ważnym wynikiem w kontekście przyszłych zastosowań w dziedzinie fononiki. Odkrycia te pokazują potencjał i użyteczność materiałów ferroelektrycznych jako aktywnych barier umożliwiających kontrolę przepływu ciepła w urządzeniach wykorzystujących fonony. „Kolejnym krokiem będzie złożenie wniosku o dofinansowanie na potrzeby dalszych prac w ramach tego nowatorskiego kierunku badań koncentrującego się na kontroli propagacji fali fononowej za pomocą pól elektrycznych”, podsumowuje Langenberg. „W szczególności rozważam ubieganie się o fundusze z Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych na potrzeby utworzenia własnej grupy badawczej w dziedzinie fononiki i materiałów ferroicznych”.
Słowa kluczowe
PHONON-VALVE, fonony, pole elektryczne, ścianka domenowa, ferroelektryczne
