Il movimento vibrazionale di un atomo in un cristallo si propaga agli atomi vicini, che porta alla propagazione ondulatoria delle vibrazioni in tutto il cristallo. Il modo in cui queste vibrazioni naturali viaggiano attraverso la struttura cristallina determina le proprietà fondamentali del materiale. Per esempio, queste vibrazioni determinano quanto bene il calore e gli elettroni possono attraversare il materiale, e come il materiale interagisce con la luce.

Ora, i ricercatori hanno dimostrato che scambiando solo una piccola frazione degli atomi di un materiale con atomi di un elemento diverso, possono controllare la velocità e le frequenze di queste vibrazioni. Questa dimostrazione, pubblicato in Lettere di fisica applicata , fornisce un modo potenzialmente più semplice ed economico per regolare le proprietà di un materiale, consentendo una vasta gamma di dispositivi nuovi e più efficienti, come nell'illuminazione e nell'elettronica a stato solido.

Le vibrazioni naturali di un materiale cristallino viaggiano come particelle chiamate fononi. Questi fononi trasportano calore, elettroni dispersi, e influenzano le interazioni degli elettroni con la luce. In precedenza, i ricercatori hanno controllato i fononi dividendo il materiale in pezzi più piccoli i cui confini possono disperdere i fononi, limitando il loro movimento. Più recentemente, i ricercatori hanno progettato strutture su nanoscala, come i nanofili, nel materiale per manipolare la velocità e le frequenze dei fononi.

Un team di ricercatori dell'Università della California, Riverside e l'Università della California, San Diego ha ora scoperto che dopando, introducendo diversi elementi nel materiale, è possibile controllare i fononi. I ricercatori hanno drogato l'ossido di alluminio con il neodimio, che sostituisce alcuni degli atomi di alluminio. Poiché il neodimio è più grande e più massiccio dell'alluminio, altera le proprietà vibrazionali del materiale, cambiando il modo in cui i fononi possono viaggiare.

"Introduce distorsione al reticolo, che persiste su una grande distanza rispetto alla dimensione atomica, e interessa l'intero spettro vibrazionale, " ha detto Alexander Balandin dell'Università della California, Lungofiume.

Utilizzando un nuovo metodo per produrre cristalli uniformemente drogati e nuovi strumenti sensibili per misurare lo spettro fononico, i ricercatori hanno mostrato, per la prima volta, che anche un piccolo numero di determinati droganti può avere un grande impatto. "Questo approccio fornisce un nuovo modo di sintonizzare lo spettro vibrazionale dei materiali, " ha detto Balandin.

In precedenza, i ricercatori presumevano che qualsiasi effetto significativo sui fononi richiedesse una concentrazione molto elevata di droganti. Ma, il team ha scoperto che l'ossido di alluminio drogato con una densità di neodimio di solo lo 0,1 percento era sufficiente per abbassare la frequenza dei fononi di pochi gigahertz e la velocità di 600 metri al secondo.

L'aumento della velocità dei fononi aumenta la conduttività termica di un materiale, permettendo ai piccoli transistor di raffreddarsi più velocemente. fononi rallentati, d'altra parte, sarebbe utile per realizzare dispositivi termoelettrici più efficienti, che convertono l'elettricità in calore e viceversa. Per di più, in dispositivi ottici come diodi emettitori di luce, rallentare i fononi e sopprimere le interazioni dei fononi con gli elettroni significherebbe che più energia viene utilizzata per produrre fotoni (luce) e meno viene dispersa sotto forma di calore.

I ricercatori stanno ora applicando la loro strategia ad altri droganti e materiali, come l'arseniuro di gallio, con un occhio allo sviluppo di dispositivi ad alta efficienza energetica, ha detto Balandin.