De engineering van thermische geleidbaarheid in halfgeleidende materialen is een centraal thema in de ontwikkeling van moderne nano- en microtechnologieën. Lage thermische geleidbaarheid is belangrijk in materialen die worden gebruikt in technologische producten, omdat het thermische isolatie biedt en dus de warmteoverdracht vermindert, ervoor te zorgen dat de producten niet oververhitten.

Een vertegenwoordiger van de familie clathrates, complexe chemische stoffen die kooien bevatten die atomen opsluiten, zijn bijzonder belangrijk om in deze context te bestuderen, omdat ze een reeks belangrijke toepassingen hebben. Hun thermo-elektrische eigenschappen maken ze zeer effectief voor het oogsten van verloren warmte en het omzetten in elektriciteit. Daten, er is weinig bekend over het exacte mechanisme dat ten grondslag ligt aan de lage thermische geleidbaarheid die wordt waargenomen in complexe structuren zoals clathraten.

Thermische energie wordt voornamelijk gedragen door atomaire trillingen, fononen genaamd, die quasideeltjes zijn die met de geluidssnelheid reizen. Warmtevoortplanting en geleidbaarheid zijn direct gerelateerd aan de tijd die een fonon in een materiaal aflegt voordat het botst met defecten of andere fononen. Deze karakteristieke tijd wordt de fonon-levensduur genoemd. Als zodanig, het begrijpen van individuele fononeigenschappen is ook van fundamenteel belang voor toepassingen zoals het terugwinnen van restwarmte door middel van thermo-elektrische conversie. Het verkorten van de levensduur van de fonon zorgt voor een lage thermische geleidbaarheid, en dit is een strategie die heeft geleid tot uitgebreid onderzoek rond de 'phonon engineering' van thermo-elektrische materialen.

Phonon-levensduur is een van de belangrijkste parameters voor het kwantificeren van thermische geleidbaarheid, maar het is zowel experimenteel als theoretisch buitengewoon uitdagend om het te benaderen en te meten. De experimentele uitdaging is te wijten aan de beperkingen van instrumentele mogelijkheden; de resolutie die met de modernste experimentele technieken wordt bereikt, is daarvoor te beperkt. Daten, er is geen experimenteel bewijs gevonden voor een duidelijke vermindering van de levensduur van fononen in clathraten met inelastische neutronen- of röntgenverstrooiingstechnieken. Hoe dan ook, er is de laatste tijd aanzienlijke vooruitgang geboekt met rekenmethoden voor halfgeleiders met eenvoudige structuren. Om deze vorderingen te evenaren, het is noodzakelijk om theoretische voorspellingen te valideren door experimenteel de levensduur van individuele fonontoestanden te meten.

Een onderzoek met meerdere partners dat vandaag is gepubliceerd in Natuurcommunicatie heeft de uitdagingen van het meten van de levensduur van fononen aangepakt met behulp van inelastische neutronenverstrooiing (INS) en neutronenresonante spin-echo (NRSE) experimenten uitgevoerd aan het Institut Laue Langevin (ILL) in Grenoble, en Laboratoire Léon Brillouin (LLB) Saclay, Frankrijk. Terwijl de "glasachtige" thermische geleidbaarheid van het clathraat Ba7.81Ge40.67Au5.33 vaak in verband wordt gebracht met een korte fonon-levensduur, deze studie mat voor de eerste keer tot nu toe een zeer lange levensduur van fononen met behulp van een groot eenkristalmonster van hoge kwaliteit. De studie onthult ook een dramatische vermindering van het aantal fononen dat warmte draagt, als gevolg van structurele complexiteit, waardoor een eenvoudige en algemene verklaring van de lage thermische geleidbaarheid van complexe materialen mogelijk is.