Domingo, 10 de julio de 2010
¿Qué son los fonones?
Sí. Leyó bien. Son fonones y no fotones.
En la computadora y los chips de teléfonos celulares , por ejemplo, una de las limitaciones clave para incrementar la velocidad y la memoria es la necesidad de disipar el calor generado por los chips.
Para entender cómo el calor se propaga a través de un material, tenga en cuenta que el calor – así como EL sonido – es en realidad el movimiento o vibración de los átomos y las moléculas: las vibraciones de baja frecuencia corresponden al sonido, mientras que las frecuencias más altas corresponden al calor. En cada frecuencia, los principios de la mecánica cuántica establecen que la energía de vibración debe ser un múltiplo de una cantidad básica de energía , llamada Cuanto, que es proporcional a la frecuencia. Los físicos llaman a estos niveles básicos, fonones de energía.
En un sentido, entonces, ” fonón “es sólo una palabra elegante para una partícula de calor.
Fonones son especialmente relevantes en el comportamiento del calor y el sonido de los cristales, explica Chen Gang , el profesor Rohsenow de Ingeniería Mecánica en el MIT. En un cristal , los átomos están ordenados de una manera uniforme, la repetición de la estructura; cuando se calienta, los átomos pueden oscilar a frecuencias específicas. Las uniones entre los átomos individuales en un cristal se comportan esencialmente como resortes, dice Chen. Cuando uno de los átomos es empujado o tirado, se pone en marcha una onda (o fonones ) que viajan a través del cristal , como sentarse en un borde de una cama elástica puede fijar de vibraciones a través de toda la superficie.
En la práctica, la mayoría de los materiales están llenos de una mezcla caótica de fonones que tienen diferentes frecuencias y viajan en direcciones diferentes, todos superpuestos unos sobre otros, de la misma manera que los movimientos aparentemente caóticos de un mar agitado puede ( teóricamente) mostrar una variedad de formas de onda superpuestas de diferentes frecuencias y direcciones.
Pero a diferencia de los fotones ( las partículas que transportan la luz u otra radiación electromagnética), que en general no interactúan en todo si tienen diferentes longitudes de onda, los fonones de longitudes de onda diferentes pueden interactuar y mezclarse cuando chocan entre sí, produciendo una longitud de onda diferente. Esto hace que su comportamiento sea mucho más caótico y difícil tanto para predecir y controlar .
Al igual que los fotones de una frecuencia dada sólo pueden existir en ciertos niveles de energía específica – múltiplo exacto de la base de cuantos – , también lo pueden los fonones , dice Chen. Y cuando se trabaja en física aplicada en relación a la transferencia de calor en los sólidos, que es un enfoque específico de la investigación de Chen, pensar en términos de fonones ha demostrado ser especialmente útil .
Por ejemplo, en la búsqueda de mejores formas de disipar el calor de los chips de computadora – un requisito clave para los chips más rápidos y más componentes en el paquete – es encontrar la forma de manipular el comportamiento de los fonones en los circuitos de tal forma que el calor se pueda quitar fácilmente, es la clave. En cambio, en el diseño de dispositivos termoeléctricos para generar electricidad a partir de las diferencias de temperatura, es importante desarrollar materiales que pueden conducir la electricidad (el movimiento de los electrones ) de forma fácil , pero bloquear el movimiento de los fonones (es decir, del calor).
“En algunos casos , usted desea conducción fuerte de los fonones , y en algunos casos desea reducir su propagación “, dice Chen . ” A veces son buenos, ya veces son malos. ”
FUENTE: MIT
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