Le solide cristallin BaTiS 3 (sulfure de baryum et de titane) est mauvais pour conduire la chaleur, et il s'avère qu'un atome de titane capricieux qui existe à deux endroits en même temps est à blâmer.

La découverte, réalisés par des chercheurs du Caltech, USC, et le Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie, a été publié le 27 novembre dans la revue Communication Nature . Il fournit un aperçu fondamental au niveau atomique d'une propriété thermique inhabituelle qui a été observée dans plusieurs matériaux. Le travail est d'un intérêt particulier pour les chercheurs qui explorent l'utilisation potentielle de solides cristallins à faible conductivité thermique dans des applications thermoélectriques, dans laquelle la chaleur est directement convertie en énergie électrique et vice versa.

"Nous avons découvert que les effets de la mécanique quantique peuvent jouer un rôle énorme dans la définition des propriétés de transport thermique des matériaux même dans des conditions familières comme la température ambiante, " dit Austin Minnich, professeur de génie mécanique et de physique appliquée à Caltech et co-auteur de la Communication Nature papier.

Les cristaux sont généralement bons pour conduire la chaleur. Par définition, leur structure atomique est hautement organisée, qui permet aux vibrations atomiques - la chaleur - de les traverser comme une onde. Lunettes, d'autre part, sont terribles à conduire la chaleur. Leur structure interne est désordonnée et aléatoire, ce qui signifie que les vibrations sautent plutôt d'atome en atome au fur et à mesure qu'elles traversent.

BaTiS 3 appartient à une classe de matériaux appelés chalcogénures apparentés à la pérovskite. Jayakanth Ravichandran, professeur adjoint au département de génie chimique et science des matériaux de la famille Mork de l'USC Viterbi, et son équipe les ont étudiés pour leurs propriétés optiques et ont récemment commencé à étudier leurs applications thermoélectriques.

"Nous avions le pressentiment que BaTiS 3 aura une faible conductivité thermique, mais la valeur était étonnamment faible. Notre étude montre un nouveau mécanisme pour atteindre une faible conductivité thermique, la question suivante est donc de savoir si les électrons du système circulent de manière transparente contrairement à la chaleur pour obtenir de bonnes propriétés thermoélectriques, " dit Ravichandran.

L'équipe a découvert que BaTiS 3 , avec plusieurs autres solides cristallins, possédait une conductivité thermique « semblable à du verre ». Non seulement sa conductivité thermique est comparable à celle des verres désordonnés, cela empire à mesure que la température baisse, ce qui est le contraire de la plupart des matériaux. En réalité, sa conductivité thermique à des températures cryogéniques est parmi les pires jamais observées dans un solide entièrement dense (non poreux).

L'équipe a découvert que l'atome de titane dans chaque cristal de BaTiS3 existe dans ce que l'on appelle un potentiel à double puits, c'est-à-dire il y a deux emplacements spatiaux dans la structure atomique où l'atome veut être. L'atome de titane existant à deux endroits à la fois donne naissance à ce qu'on appelle un « système à deux niveaux ». Dans ce cas, l'atome de titane a deux états :un état fondamental et un état excité. Les vibrations atomiques qui passent sont absorbées par l'atome de titane, qui va de l'état fondamental à l'état excité, puis se désintègre rapidement à l'état fondamental. L'énergie absorbée est émise sous forme de vibration et dans une direction aléatoire.

L'effet global de cette absorption et émission de vibrations est que l'énergie est dispersée plutôt que transférée proprement. Une analogie serait de faire briller une lumière à travers un verre dépoli, avec les atomes de titane comme givre; les ondes entrantes dévient du titane, et seulement une partie se frayent un chemin à travers le matériau.

Les systèmes à deux niveaux sont connus depuis longtemps, mais c'est la première observation directe d'une qui était suffisante pour perturber la conduction thermique dans un matériau monocristallin sur une plage de température étendue, mesuré ici entre 50 et 500 Kelvin.

Les chercheurs ont observé l'effet en bombardant BaTiS 3 cristaux avec des neutrons dans un processus connu sous le nom de diffusion inélastique utilisant la source de neutrons de spallation à l'ORNL. Quand ils traversent les cristaux, les neutrons gagnent ou perdent de l'énergie. Cela indique que l'énergie est absorbée par un système à deux niveaux dans certains cas et leur est transmise dans d'autres.

"Il a fallu un vrai travail de détective pour résoudre ce mystère sur la structure et la dynamique des atomes de titane. Au début, il semblait que les atomes étaient simplement désordonnés en position, mais la faible profondeur du puits de potentiel signifiait qu'ils ne pouvaient pas rester dans leurs positions très longtemps, " dit Michael Manley, chercheur senior à l'ORNL et co-auteur de la Communication Nature papier. C'est alors que Raphaël Hermann, chercheur à l'ORNL, suggéré de faire des calculs quantiques pour le double puits. "Le fait que les atomes puissent creuser un tunnel est bien connu, bien sûr, mais nous ne nous attendions pas à le voir à une fréquence aussi élevée avec un si gros atome dans un cristal. Mais la mécanique quantique est claire :si la barrière entre les puits est suffisamment petite, alors un tel effet tunnel à haute fréquence est en effet possible et devrait entraîner une forte diffusion des phonons et donc une conductivité thermique semblable au verre, " dit Manley.

L'approche conventionnelle pour créer des solides cristallins à faible conductivité thermique consiste à créer de nombreux défauts dans ces solides, ce qui est préjudiciable à d'autres propriétés telles que la conductivité électrique. Donc, une méthode pour concevoir des matériaux cristallins à faible conductivité thermique sans nuire aux propriétés électriques et optiques est hautement souhaitable pour les applications thermoélectriques. Une petite poignée de solides cristallins présentent la même mauvaise conductivité thermique, l'équipe prévoit donc d'explorer ensuite si ce phénomène est également à blâmer dans ces matériaux.