Neutroner giver et nyt billede af termisk ledningsevne i komplekse materialer

Konstruktionen af ​​termisk ledningsevne i halvledende materialer er et centralt emne i udviklingen af ​​moderne nano- og mikroteknologier. Lav varmeledningsevne er vigtig i materialer, der anvendes i teknologiprodukter, da det giver termisk isolering og dermed reduktion af varmeoverførsel, sikre, at produkterne ikke overophedes.

En repræsentant for clathrates-familien, komplekse kemiske stoffer indeholdende bure, der fanger atomer, er særligt vigtige at studere i denne sammenhæng, da de har en række vigtige anvendelser. Deres termoelektriske egenskaber gør dem meget effektive til at høste spildt varme og omdanne den til elektricitet. Til dato, lidt er kendt om den nøjagtige mekanisme, der understøtter den lave termiske ledningsevne observeret i komplekse strukturer såsom clathrates.

Termisk energi bæres hovedsageligt af atomare vibrationer kaldet fononer, som er kvasipartikler, der bevæger sig med lydhastigheden. Varmeudbredelse og ledningsevne er direkte relateret til den tid, en fonon rejser i et materiale, før den kolliderer med defekter eller andre fononer. Denne karakteristiske tid kaldes fononens levetid. Som sådan, forståelse af individuelle fononegenskaber er også grundlæggende for applikationer såsom genvinding af spildvarme gennem termoelektrisk konvertering. Forkortelse af fononens levetid opnår lav varmeledningsevne, og det er en strategi, der har ført til omfattende forskning omkring 'fonon-teknik' af termoelektriske materialer.

Phonons levetid er en af ​​nøgleparametrene til kvantificering af termisk ledningsevne, men at få adgang til og måle det er ekstremt udfordrende både eksperimentelt og teoretisk. Den eksperimentelle udfordring skyldes grænserne for instrumentelle kapaciteter; opløsningen opnået med state-of-the-art eksperimentelle teknikker er for begrænset til dette mål. Til dato, der er ikke fundet eksperimentelle beviser for en markant reduktion i fononlevetider i clathrater med uelastiske neutron- eller røntgenspredningsteknikker. Alligevel, der er sket betydelige fremskridt på det seneste med beregningsmetoder til halvledere med simple strukturer. For at matche disse fremskridt, det er nødvendigt at validere teoretiske forudsigelser ved eksperimentelt at måle levetiden af ​​individuelle fonontilstande.

En multi-partner undersøgelse offentliggjort i dag i Naturkommunikation har adresseret phonon-levetidsmålingsudfordringer ved hjælp af uelastisk neutronspredning (INS) og neutronresonant spin-ekko (NRSE) eksperimenter udført på Institut Laue Langevin (ILL) i Grenoble, og Laboratoire Léon Brillouin (LLB) Saclay, Frankrig. Mens den "glaslignende" varmeledningsevne af clathratet Ba7.81Ge40.67Au5.33 ofte er blevet forbundet med en kort fononlevetid, denne undersøgelse målte for første gang til dato en meget lang fononlevetid ved hjælp af en stor enkeltkrystalprøve af høj kvalitet. Undersøgelsen afslører også en dramatisk reduktion af antallet af fononer, der bærer varme, som følge af strukturel kompleksitet, tillader en enkel og generel forklaring af komplekse materialers lave varmeledningsevne.