A engenharia da condutividade térmica em materiais semicondutores é uma questão central no desenvolvimento das nano e microtecnologias modernas. A baixa condutividade térmica é importante em materiais usados ​​em produtos de tecnologia, uma vez que fornece isolamento térmico e, portanto, redução da transferência de calor, garantindo que os produtos não superaquecem.

Alguns representantes da família clatrates, substâncias químicas complexas contendo gaiolas que prendem átomos, são particularmente importantes para estudar neste contexto, pois eles têm uma gama de aplicações importantes. Suas propriedades termoelétricas os tornam muito eficazes para coletar o calor desperdiçado e convertê-lo em eletricidade. A data, pouco se sabe sobre o mecanismo exato que sustenta a baixa condutividade térmica observada em estruturas complexas como os clatratos.

A energia térmica é transportada principalmente por vibrações atômicas chamadas fônons, que são quasipartículas viajando com a velocidade do som. A propagação de calor e a condutividade estão diretamente relacionadas ao tempo que um fônon viaja em um material antes de colidir com defeitos ou outros fônons. Esse tempo característico é chamado de vida do fônon. Como tal, compreender as propriedades individuais dos fônons também é fundamental para aplicações como a recuperação de calor residual por meio da conversão termoelétrica. O encurtamento da vida útil dos fônons atinge baixa condutividade térmica, e esta é uma estratégia que levou a uma extensa pesquisa em torno da 'engenharia de fônons' de materiais termoelétricos.

A vida útil do fone é um dos parâmetros-chave para quantificar a condutividade térmica, mas acessá-lo e medi-lo é extremamente desafiador, tanto experimental quanto teoricamente. O desafio experimental é devido aos limites das capacidades instrumentais; a resolução alcançada por técnicas experimentais de ponta é muito limitada para este objetivo. A data, nenhuma evidência experimental de uma redução marcada no tempo de vida dos fônons em clatratos foi encontrada com nêutrons inelásticos ou técnicas de espalhamento de raios-X. No entanto, Recentemente, houve um progresso considerável com métodos computacionais para semicondutores com estruturas simples. Para combinar com esses avanços, é necessário validar as previsões teóricas medindo experimentalmente o tempo de vida dos estados de fônons individuais.

Um estudo com vários parceiros publicado hoje em Nature Communications abordou os desafios de medição do tempo de vida do fônon usando experimentos de espalhamento inelástico de nêutrons (INS) e eco de spin ressonante de nêutrons (NRSE) conduzidos no Institut Laue Langevin (ILL) em Grenoble, e Laboratoire Léon Brillouin (LLB) Saclay, França. Considerando que a condutividade térmica "semelhante ao vidro" do clatrato Ba7.81Ge40.67Au5.33 tem sido frequentemente associada a uma vida útil curta do fônon, este estudo mediu pela primeira vez até hoje uma vida útil muito longa de fônons usando uma grande amostra de cristal único de alta qualidade. O estudo também revela uma redução dramática do número de fônons que transportam calor, como resultado da complexidade estrutural, permitindo uma explicação simples e geral da baixa condutividade térmica de materiais complexos.