O movimento vibracional de um átomo em um cristal se propaga para os átomos vizinhos, o que leva à propagação ondulatória das vibrações por todo o cristal. A maneira como essas vibrações naturais viajam pela estrutura cristalina determina as propriedades fundamentais do material. Por exemplo, essas vibrações determinam o quão bem o calor e os elétrons podem atravessar o material, e como o material interage com a luz.

Agora, pesquisadores demonstraram que trocando apenas uma pequena fração dos átomos de um material com átomos de um elemento diferente, eles podem controlar a velocidade e as frequências dessas vibrações. Esta demonstração, publicado em Cartas de Física Aplicada , fornece uma maneira potencialmente mais simples e barata de ajustar as propriedades de um material, permitindo uma ampla gama de dispositivos novos e mais eficientes, como em iluminação de estado sólido e eletrônica.

As vibrações naturais de um material cristalino viajam como partículas chamadas fônons. Esses fônons carregam calor, espalhar elétrons, e afetam as interações dos elétrons com a luz. Anteriormente, pesquisadores controlaram fônons dividindo o material em pedaços menores cujas fronteiras podem espalhar os fônons, limitando seu movimento. Mais recentemente, pesquisadores desenvolveram estruturas em nanoescala, como nanofios, no material para manipular a velocidade e as frequências dos fônons.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade da Califórnia, Riverside e a Universidade da Califórnia, San Diego descobriu agora que, com o doping - introduzindo diferentes elementos no material, você pode controlar os fonons. Os pesquisadores doparam óxido de alumínio com neodímio, que substitui alguns dos átomos de alumínio. Como o neodímio é maior e mais maciço que o alumínio, altera as propriedades vibracionais do material, mudando como os fonons podem viajar.

"Introduz distorção na rede, que persiste por uma grande distância em comparação com o tamanho atômico, e afeta todo o espectro vibracional, "disse Alexander Balandin, da Universidade da Califórnia, Riverside.

Usando um novo método de produção de cristais dopados uniformemente e novos instrumentos sensíveis para medir o espectro de fônons, os pesquisadores mostraram, pela primeira vez, que mesmo um pequeno número de certos dopantes pode ter um grande impacto. "Esta abordagem fornece uma nova maneira de ajustar o espectro vibracional dos materiais, "Balandin disse.

Anteriormente, os pesquisadores presumiram que qualquer efeito significativo sobre os fônons exigiria uma concentração muito alta de dopantes. Mas, a equipe descobriu que óxido de alumínio dopado com densidade de neodímio de apenas 0,1 por cento era suficiente para diminuir a frequência de fônons em alguns gigahertz e a velocidade em 600 metros por segundo.

O aumento das velocidades do fônon aumenta a condutividade térmica de um material, permitindo que pequenos transistores esfriem mais rápido. Fônons desacelerando, por outro lado, seria útil para fazer dispositivos termoelétricos mais eficientes, que convertem eletricidade em calor e vice-versa. Além disso, em dispositivos ópticos, como diodos emissores de luz, desacelerar os fônons e suprimir as interações dos fônons com os elétrons significaria que mais energia é usada para produzir fótons (luz) e menos é perdida na forma de calor.

Os pesquisadores agora estão aplicando sua estratégia a outros dopantes e materiais, como o arsenieto de gálio, com o objetivo de desenvolver dispositivos com eficiência energética, Balandin disse.