La ingeniería de la conductividad térmica en materiales semiconductores es un tema central en el desarrollo de nano y microtecnologías modernas. La baja conductividad térmica es importante en los materiales utilizados en productos tecnológicos, ya que proporciona aislamiento térmico y, por lo tanto, reducción de la transferencia de calor, asegurándose de que los productos no se sobrecalienten.

Algún representante de la familia de los clatratos, sustancias químicas complejas que contienen jaulas que atrapan átomos, son particularmente importantes para estudiar en este contexto, ya que tienen una variedad de aplicaciones importantes. Sus propiedades termoeléctricas los hacen muy efectivos para recolectar el calor desperdiciado y convertirlo en electricidad. Hasta la fecha, poco se sabe sobre el mecanismo exacto que sustenta la baja conductividad térmica observada en estructuras complejas como los clatratos.

La energía térmica es transportada principalmente por vibraciones atómicas llamadas fonones, que son cuasipartículas que viajan con la velocidad del sonido. La propagación del calor y la conductividad están directamente relacionadas con el tiempo que un fonón viaja en un material antes de chocar con defectos u otros fonones. Este tiempo característico se llama vida útil del fonón. Como tal, La comprensión de las propiedades individuales de los fonones también es fundamental para aplicaciones como la recuperación de calor residual mediante conversión termoeléctrica. Al acortar la vida útil de los fonones se logra una baja conductividad térmica, y esta es una estrategia que ha llevado a una extensa investigación en torno a la 'ingeniería fonética' de los materiales termoeléctricos.

La vida útil de los fonones es uno de los parámetros clave para cuantificar la conductividad térmica, pero acceder a él y medirlo es extremadamente desafiante tanto experimental como teóricamente. El desafío experimental se debe a los límites de las capacidades instrumentales; la resolución lograda mediante técnicas experimentales de última generación es demasiado limitada para este objetivo. Hasta la fecha, No se ha encontrado ninguna evidencia experimental de una reducción marcada en la vida útil de los fonones en los clatratos con técnicas de dispersión de rayos X o neutrones inelásticos. Sin embargo, Recientemente, ha habido un progreso considerable con métodos computacionales para semiconductores con estructuras simples. Para igualar estos avances, es necesario validar las predicciones teóricas midiendo experimentalmente la vida útil de los estados fonéticos individuales.

Un estudio de múltiples socios publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza ha abordado los desafíos de medición de la vida útil de los fonones utilizando experimentos de dispersión de neutrones inelásticos (INS) y eco de espín resonante de neutrones (NRSE) realizados en el Institut Laue Langevin (ILL) en Grenoble, y Laboratoire Léon Brillouin (LLB) Saclay, Francia. Mientras que la conductividad térmica "similar al vidrio" del clatrato Ba7.81Ge40.67Au5.33 se ha asociado con frecuencia con una vida útil corta del fonón, Este estudio midió por primera vez hasta la fecha una vida útil de fonón muy larga utilizando una gran muestra de monocristal de alta calidad. El estudio también revela una reducción drástica del número de fonones que transportan calor, como resultado de la complejidad estructural, permitiendo una explicación simple y general de la baja conductividad térmica de materiales complejos.