L'ingegneria della conduttività termica nei materiali semiconduttori è una questione centrale nello sviluppo delle moderne nano e microtecnologie. La bassa conduttività termica è importante nei materiali utilizzati nei prodotti tecnologici, in quanto fornisce isolamento termico e quindi riduzione del trasferimento di calore, assicurando che i prodotti non si surriscaldino.

Alcuni rappresentanti della famiglia dei clatrati, sostanze chimiche complesse contenenti gabbie che intrappolano atomi, sono particolarmente importanti da studiare in questo contesto in quanto hanno una gamma di importanti applicazioni. Le loro proprietà termoelettriche li rendono molto efficaci per raccogliere il calore disperso e convertirlo in elettricità. Ad oggi, si sa poco dell'esatto meccanismo alla base della bassa conduttività termica osservata in strutture complesse come i clatrati.

L'energia termica è principalmente trasportata da vibrazioni atomiche chiamate fononi, che sono quasiparticelle che viaggiano con la velocità del suono. La propagazione del calore e la conduttività sono direttamente correlate al tempo in cui un fonone viaggia in un materiale prima che entri in collisione con difetti o altri fononi. Questo tempo caratteristico è chiamato vita fononica. Come tale, la comprensione delle proprietà dei singoli fononi è fondamentale anche per applicazioni come il recupero del calore di scarto attraverso la conversione termoelettrica. Riducendo la durata dei fononi si ottiene una bassa conduttività termica, e questa è una strategia che ha portato a ricerche approfondite intorno all'"ingegneria fononica" dei materiali termoelettrici.

La durata dei fononi è uno dei parametri chiave per quantificare la conducibilità termica, ma accedervi e misurarlo è estremamente impegnativo sia a livello sperimentale che teorico. La sfida sperimentale è dovuta ai limiti delle capacità strumentali; la risoluzione raggiunta dalle tecniche sperimentali all'avanguardia è troppo limitata per questo scopo. Ad oggi, nessuna prova sperimentale di una marcata riduzione della vita dei fononi nei clatrati è stata trovata con neutroni anelastici o tecniche di diffusione dei raggi X. Tuttavia, ci sono stati notevoli progressi recentemente con metodi computazionali per semiconduttori con strutture semplici. Per abbinare questi progressi, è necessario convalidare le previsioni teoriche misurando sperimentalmente la durata dei singoli stati fononici.

Uno studio multi-partner pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura ha affrontato le sfide della misurazione della durata dei fononi utilizzando esperimenti di scattering neutronico anelastico (INS) e spin-echo risonante neutronico (NRSE) condotti presso l'Institut Laue Langevin (ILL) di Grenoble, e Laboratorio Léon Brillouin (LLB) Saclay, Francia. Considerando che la conduttività termica "simile al vetro" del clatrato Ba7.81Ge40.67Au5.33 è stata spesso associata a una breve vita fononica, questo studio ha misurato per la prima volta fino ad oggi una vita fononica molto lunga utilizzando un grande campione di un singolo cristallo di alta qualità. Lo studio rivela anche una drastica riduzione del numero di fononi che trasportano calore, a causa della complessità strutturale, permettendo una spiegazione semplice e generale della bassa conducibilità termica di materiali complessi.