p Uma nova pesquisa oferece insights sobre como os deslocamentos de cristal - um tipo comum de defeito em materiais - podem afetar o transporte elétrico e de calor através dos cristais, em um microscópico, nível de mecânica quântica. p Os deslocamentos nos cristais são locais onde a estrutura tridimensional ordenada de uma rede cristalina - cujo arranjo de átomos se repete exatamente com o mesmo espaçamento - é interrompida. O efeito é como se uma faca tivesse cortado o cristal e, em seguida, os pedaços fossem colados novamente, torto de suas posições originais. Esses defeitos têm um forte efeito sobre os fônons, os modos de vibração da rede que desempenham um papel nas propriedades térmicas e elétricas dos cristais através dos quais eles viajam. Mas uma compreensão precisa do mecanismo da interação deslocamento-fônon tem sido elusiva e controversa, o que diminuiu o progresso em direção ao uso de deslocamentos para ajustar as propriedades térmicas dos materiais.

p Uma equipe do MIT conseguiu aprender detalhes importantes sobre como essas interações funcionam, que pode informar os esforços futuros para desenvolver dispositivos termoelétricos e outros sistemas eletrônicos. Os resultados são relatados no jornal Nano Letras , em um artigo de co-autoria do pós-doutorando Mingda Li, Chefe do Departamento de Engenharia Mecânica, Professor Gang Chen, o falecido Instituto Professor Emerita Mildred Dresselhaus, e cinco outros.

p Deslocamentos - que Li descreve como "irregularidades atômicas em um cristal regular" - são defeitos muito comuns em cristais, e eles afetam, por exemplo, como o calor se dissipa através de um microchip de silício ou como a corrente flui através de um painel solar de silício.

p Houve duas abordagens concorrentes para explicar as interações de deslocamento de fônon, Li explica, e algumas outras questões sobre eles permaneceram sem solução. Agora, a equipe do MIT encontrou uma nova abordagem matemática para analisar tais sistemas, usando uma nova quase-partícula que formularam, chamada de "dislon, "que é uma versão quantizada de um deslocamento, que parece resolver esses mistérios de longa data.

p "As pessoas tentaram aprender como os deslocamentos mudam as propriedades do material - as propriedades elétricas e térmicas, "Li diz." Até agora, havia muitos modelos empíricos, que precisam de parâmetros de ajuste para serem completos. Houve um longo debate sobre a natureza do espalhamento de fônons em deslocamentos. "

p A nova teoria, Li diz, tem um ponto de partida diferente, uma vez que se baseia na rigorosa teoria quântica de campos. Parece resolver vários problemas, incluindo um debate entre duas visões conhecidas como abordagens de espalhamento dinâmico e estático, mostrando que eles são simplesmente
dois casos extremos dentro deste novo quadro. E embora ambas as abordagens falhem em explicar o comportamento em nanoescala, a nova abordagem funciona bem nessas escalas.

p As descobertas podem afetar a busca por melhores materiais termelétricos, que pode converter calor em eletricidade. Eles são usados ​​para gerar energia a partir do calor residual, ou fornecimento de aquecedores para assentos de automóveis. Os sistemas termoelétricos também podem fornecer resfriamento, para baús de bebidas frias, por exemplo.

p Chen, quem é o Professor Carl Richard Soderberg de Engenharia de Energia, atribui as novas descobertas à iniciativa de Li. "Eu não coloquei muita esperança nisso, "Disse Chen." É um problema bastante complexo:como os deslocamentos afetam essas propriedades muito importantes. ... Fiquei muito surpreso quando ele voltou com essa nova teoria. Ele começou com princípios básicos e derivou uma descrição quântica para isso. "

p Li e sua equipe fizeram "um avanço ao serem capazes de explicar a natureza de longo alcance do campo de tensão de deslocamento, tratando-o como um novo objeto de mecânica quântica chamado dislon, "diz Jeffery Snyder, um professor da Northwestern University, que não estava ligado a este trabalho. "Combinar isso com o tratamento mecânico quântico da interação dislon-elétron pode levar a novas estratégias para otimizar materiais usando abordagens metalúrgicas para projetar a estrutura, modelo, e localização de deslocamentos dentro de um material. "

p "Os deslocamentos têm efeitos profundos nas propriedades dos materiais, mas até agora a natureza de longo alcance do campo de tensão impediu cálculos diretos dos efeitos de deslocamento, "diz David J. Singh, um professor da Universidade de Missouri que também não estava envolvido neste trabalho. "A quantização desenvolvida neste artigo ajuda muito a resolver esses problemas. Espero que esse novo formalismo leve a uma compreensão muito melhor dos efeitos dos deslocamentos nas propriedades elétricas e térmicas dos materiais. Este trabalho é um grande passo à frente. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.