L'ingénierie de la conductivité thermique dans les matériaux semi-conducteurs est un enjeu central dans le développement des nano- et microtechnologies modernes. Une faible conductivité thermique est importante dans les matériaux utilisés dans les produits technologiques, car il offre une isolation thermique et donc une réduction des transferts de chaleur, s'assurer que les produits ne surchauffent pas.

Un représentant de la famille clathrate, substances chimiques complexes contenant des cages qui piègent les atomes, sont particulièrement importants à étudier dans ce contexte car ils ont une gamme d'applications importantes. Leurs propriétés thermoélectriques les rendent très efficaces pour récupérer la chaleur perdue et la convertir en électricité. À ce jour, on sait peu de choses sur le mécanisme exact qui sous-tend la faible conductivité thermique observée dans les structures complexes telles que les clathrates.

L'énergie thermique est principalement transportée par des vibrations atomiques appelées phonons, qui sont des quasi-particules se déplaçant avec la vitesse du son. La propagation de la chaleur et la conductivité sont directement liées au temps qu'un phonon parcourt dans un matériau avant d'entrer en collision avec des défauts ou d'autres phonons. Ce temps caractéristique est appelé durée de vie du phonon. En tant que tel, la compréhension des propriétés des phonons individuels est également fondamentale pour des applications telles que la récupération de chaleur perdue par conversion thermoélectrique. Le raccourcissement de la durée de vie des phonons permet d'obtenir une faible conductivité thermique, et c'est une stratégie qui a conduit à des recherches approfondies autour de « l'ingénierie des phonons » des matériaux thermoélectriques.

La durée de vie du phonon est l'un des paramètres clés pour quantifier la conductivité thermique, mais y accéder et le mesurer est extrêmement difficile à la fois expérimentalement et théoriquement. Le défi expérimental est dû aux limites des capacités instrumentales; la résolution atteinte par les techniques expérimentales de pointe est trop limitée pour cet objectif. À ce jour, aucune preuve expérimentale d'une réduction marquée de la durée de vie des phonons dans les clathrates n'a été trouvée avec les techniques de diffusion inélastique des neutrons ou des rayons X. Néanmoins, il y a eu des progrès considérables récemment avec les méthodes de calcul pour les semi-conducteurs avec des structures simples. Pour accompagner ces avancées, il est nécessaire de valider les prédictions théoriques en mesurant expérimentalement la durée de vie des états de phonons individuels.

Une étude multipartite publiée aujourd'hui dans Communication Nature a abordé les défis de la mesure de la durée de vie des phonons à l'aide d'expériences de diffusion inélastique des neutrons (INS) et d'écho de spin à résonance neutronique (NRSE) menées à l'Institut Laue Langevin (ILL) à Grenoble, et Laboratoire Léon Brillouin (LLB) Saclay, La France. Alors que la conductivité thermique « semblable au verre » du clathrate Ba7.81Ge40.67Au5.33 a souvent été associée à une courte durée de vie des phonons, cette étude a mesuré pour la première fois à ce jour une très longue durée de vie des phonons en utilisant un grand échantillon de monocristal de haute qualité. L'étude révèle également une réduction spectaculaire du nombre de phonons transportant de la chaleur, en raison de la complexité structurelle, permettant une explication simple et générale de la faible conductivité thermique des matériaux complexes.