Fononlar, katı malzemelerdeki ses parçacıkları veya atomların nicelenmiş titreşimleridir. Fizikçi Peter Debye tarafından 1912’de ortaya atılan bir teori olan Debye modeli, fononların malzemelerin özgül ısısına katkısını açıklıyor ve katıların sıcaklığını yükseltmek için gereken ısı miktarının düşük sıcaklıklarda neden keskin bir şekilde düştüğünü açıklıyor.
Debye modeli, titreşim frekanslarının katı bir malzemede sürekli olarak dağıldığını varsayar. Ancak geçmiş çalışmalar, fononların özellikle kısa dalga boylarına sahip olması durumunda bazı anormalliklerin ortaya çıkabileceğini buldu.
Bildirilen bu anormalliklerden ilki, Van Hove tekilliği (VHS) olarak adlandırılan, kristallerde gözlenen durumların titreşim yoğunluğundaki (DOS) keskin özelliklerle karakterize edilir. Bozon zirvesi olarak bilinen ikincisi, amorf katılar veya camlarda DOS’ta önemli bir fazlalığa neden olur.
Çin Bilimler Akademisi ve Xi’an Jiaotong Üniversitesi’ndeki araştırmacılar yakın zamanda katıların titreşim davranışındaki bu anormallikleri açıklayabilecek yeni bir birleşik model tanıttılar. Bu çerçeve, yayınlanan bir makalede sunulmuştur. Doğa Fiziğihem düzenli hem de düzensiz katılardaki kuantize edilmiş titreşimlerin incelenmesi için yeni olanaklar açabilir.
Makalenin ilk yazarı Gan Ding, CEİD’a şöyle konuştu: “Debye teorisi, düşük frekanslı fononları sürekli bir ortamda elastik dalgalar olarak ele alıyor ve durumların düşük frekanslı titreşim yoğunluğunun (VDOS) frekansın karesiyle orantılı olduğunu ortaya koyuyor, böylece düşük sıcaklık spesifik ısı kapasitesi için kübik yasayı niceliksel olarak açıklıyor.”
“Yine de iki önemli sınırlaması vardır. Birincisi, dalga boyu kafese yaklaştığında, kafesin uzun menzilli periyodikliği VDOS’ta VHS olarak bilinen bir tekilliğe yol açar. İkincisi, uzun menzilli periyodikliği olmayan amorf katılarda düşük frekanslı fononlar Debye tahmininden sapar ve BP olarak bilinen VDOS’ta fazlalığa neden olur.”
Bildirilen her iki titreşim anomalisinin açıklanması
Ding ve meslektaşlarının son çalışmalarının temel amacı hem VHS’yi hem de BP’yi açıklamak ve aynı zamanda bu iki anormallik arasındaki ilişkiye ışık tutmaktı. Bunu yapmak için ekip ilk olarak katılardaki titreşimleri yerel modlarla rezonansa giren “elastik” fononlar olarak ele alan yeni bir matematiksel model geliştirdi.
Ding, “Bir fonon, dalga-parçacık ikiliğini sergileyen bir ‘yarı parçacık’tır” diye açıkladı.
“Fonon yayılması ve saçılmasıyla başlayarak, çok serbestlik dereceli titreşim sistemi için sönümleme davranışını ve doğrusal olmayan dağılımı teorik olarak türettik. Bu, hem düzenli kristallerin hem de düzensiz camların tanımını birleştiren VDOS için analitik bir ifadeye yol açtı.”
Yazarlar, tanıttıkları matematiksel modeli kullanarak, malzemelerin elastik davranışlarına, sertliklerine ve yoğunluklarına bağlı olarak titreşim anormalliklerindeki değişiklikleri açıklayan bir faz diyagramı oluşturdular. Dikkat çekici bir şekilde, bu faz diyagramı daha önce bildirilen ve Debye modeli tarafından açıklanmayan her iki anormallik için de geçerlidir.
Ding, “VHS, BP ve bunların bir arada varlığını tanımlamak için net bir çerçeve sağladık” dedi.
“Fononların birleştirilmiş modelinin geçerliliği, 143 kristal ve camsı malzemeyi kapsayan çok çeşitli gerçek katılardan elde edilen deneysel ısı kapasitesi verileriyle yapılan bir karşılaştırmayla daha da desteklenmektedir. Makalemiz yalnızca BP’nin fiziksel kökenini ve VHS ile ilişkisini açıklamakla kalmıyor, aynı zamanda sürekli ortam olarak katıların elastik limitlerine ilişkin temel anlayışı da derinleştiriyor.”
Gelecekteki araştırma ve materyal tasarımlarına rehberlik etmek
Araştırmacıların modeliyle yapılan tahminlerin, geniş bir yelpazedeki katı malzemelerdeki titreşim anormalliklerine ilişkin daha önceki deneysel gözlemlerle uyumlu olduğu bulundu. Gelecekte, onların modeli, çeşitli malzemelerde bu anormalliklerin ortaya çıkışına dair önemli bilgiler toplamaya yardımcı olabilir.
Ekibin birleşik çerçevesi, camlar ve yüksek entropili alaşımlar gibi değerli teknolojik uygulamalara sahip olabilecek düşük ısı iletkenliğine sahip yeni malzemelerin tasarımına da bilgi verebilir. Aynı zamanda amorf katıların düşük sıcaklıklarda sergilediği süperiletkenlik gibi kuantum özelliklerini incelemek için de kullanılabilir.
Ding, “Gelecekteki araştırmalarda, bu teorik modeli, sürekli orta limitteki amorf katıların düşük frekanslı fononik olmayan davranışları, düşük sıcaklıktaki termal iletkenlik ve hatta süperiletkenlikteki anormallikler gibi yoğun madde fiziğinde devam eden tartışmaların üstesinden gelmek için uygulamayı planlıyoruz” diye ekledi.
Sizin için yazarımız Ingrid Fadelli tarafından yazılan, Gaby Clark tarafından düzenlenen ve Robert Egan tarafından gerçekleri kontrol edilen ve gözden geçirilen bu makale, insanların dikkatli çalışmasının sonucudur. Bağımsız bilim gazeteciliğini canlı tutmak için sizin gibi okuyuculara güveniyoruz. Bu raporlama sizin için önemliyse lütfen bağış yapmayı düşünün (özellikle aylık). Bir alacaksın reklamsız bir teşekkür olarak hesaplayın.
