El movimiento vibratorio de un átomo en un cristal se propaga a los átomos vecinos, lo que conduce a una propagación ondulada de las vibraciones por todo el cristal. La forma en que estas vibraciones naturales viajan a través de la estructura cristalina determina las propiedades fundamentales del material. Por ejemplo, estas vibraciones determinan qué tan bien el calor y los electrones pueden atravesar el material, y cómo el material interactúa con la luz.

Ahora, Los investigadores han demostrado que al intercambiar solo una pequeña fracción de los átomos de un material con átomos de un elemento diferente, pueden controlar la velocidad y las frecuencias de estas vibraciones. Esta demostración, publicado en Letras de física aplicada , proporciona una forma potencialmente más sencilla y económica de ajustar las propiedades de un material, permitiendo una amplia gama de dispositivos nuevos y más eficientes, como en la iluminación de estado sólido y la electrónica.

Las vibraciones naturales de un material cristalino viajan como partículas llamadas fonones. Estos fonones llevan calor dispersar electrones, y afectan las interacciones de los electrones con la luz. Previamente, Los investigadores controlaron los fonones dividiendo el material en partes más pequeñas cuyos límites pueden dispersar los fonones, limitando su movimiento. Más recientemente, los investigadores han diseñado estructuras a nanoescala, como nanocables, en el material para manipular la velocidad y las frecuencias de los fonones.

Un equipo de investigadores de la Universidad de California, Riverside y la Universidad de California, San Diego ahora ha descubierto que al doparse —introduciendo diferentes elementos en el material— se pueden controlar los teléfonos. Los investigadores doparon óxido de aluminio con neodimio, que reemplaza algunos de los átomos de aluminio. Debido a que el neodimio es más grande y más masivo que el aluminio, Altera las propiedades vibratorias del material, cambiando la forma en que pueden viajar los fonones.

"Introduce distorsión en la celosía, que persiste a una gran distancia en comparación con el tamaño atómico, y afecta a todo el espectro vibratorio, "dijo Alexander Balandin de la Universidad de California, Orilla.

Usando un nuevo método para producir cristales dopados uniformemente y nuevos instrumentos sensibles para medir el espectro de fonones, los investigadores mostraron, por primera vez, que incluso una pequeña cantidad de ciertos dopantes puede tener un gran impacto. "Este enfoque proporciona una nueva forma de ajustar el espectro vibratorio de los materiales, "Dijo Balandin.

Previamente, los investigadores asumieron que cualquier efecto significativo sobre los fonones requeriría una concentración muy alta de dopantes. Pero, El equipo descubrió que el óxido de aluminio dopado con una densidad de neodimio de sólo el 0,1 por ciento era suficiente para reducir la frecuencia de fonones en unos pocos gigahercios y la velocidad en 600 metros por segundo.

El aumento de la velocidad del fonón aumenta la conductividad térmica de un material, permitiendo que los pequeños transistores se enfríen más rápido. Fonones más lentos, por otra parte, Sería útil para hacer dispositivos termoeléctricos más eficientes, que convierten la electricidad en calor y viceversa. Es más, en dispositivos ópticos como diodos emisores de luz, ralentizar los fonones y suprimir las interacciones de los fonones con los electrones significaría que se utiliza más energía para producir fotones (luz) y se pierde menos como calor.

Los investigadores ahora están aplicando su estrategia a otros dopantes y materiales, como el arseniuro de galio, con miras al desarrollo de dispositivos energéticamente eficientes, Dijo Balandin.