Le mouvement vibratoire d'un atome dans un cristal se propage aux atomes voisins, ce qui conduit à une propagation ondulatoire des vibrations dans tout le cristal. La manière dont ces vibrations naturelles traversent la structure cristalline détermine les propriétés fondamentales du matériau. Par exemple, ces vibrations déterminent dans quelle mesure la chaleur et les électrons peuvent traverser le matériau, et comment le matériau interagit avec la lumière.

Maintenant, les chercheurs ont montré qu'en échangeant juste une petite fraction des atomes d'un matériau avec des atomes d'un élément différent, ils peuvent contrôler la vitesse et les fréquences de ces vibrations. Cette démonstration, Publié dans Lettres de physique appliquée , fournit un moyen potentiellement plus simple et moins cher d'ajuster les propriétés d'un matériau, permettant une large gamme d'appareils nouveaux et plus efficaces, comme dans l'éclairage et l'électronique à semi-conducteurs.

Les vibrations naturelles d'un matériau cristallin se déplacent sous forme de particules appelées phonons. Ces phonons transportent de la chaleur, diffuser des électrons, et affectent les interactions des électrons avec la lumière. Précédemment, les chercheurs ont contrôlé les phonons en divisant le matériau en morceaux plus petits dont les limites peuvent disperser les phonons, limiter leur mouvement. Plus récemment, les chercheurs ont conçu des structures à l'échelle nanométrique, comme les nanofils, dans le matériau pour manipuler la vitesse et les fréquences des phonons.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Californie, Riverside et l'Université de Californie, San Diego a maintenant découvert qu'en dopant, en introduisant différents éléments dans le matériau, vous pouvez contrôler les phonons. Les chercheurs ont dopé l'oxyde d'aluminium avec du néodyme, qui remplace une partie des atomes d'aluminium. Parce que le néodyme est plus gros et plus massif que l'aluminium, il altère les propriétés vibratoires du matériau, changer la façon dont les phonons peuvent voyager.

"Cela introduit une distorsion dans le réseau, qui persiste sur une grande distance par rapport à la taille atomique, et affecte tout le spectre vibratoire, " a déclaré Alexander Balandin de l'Université de Californie, Bord de rivière.

En utilisant une nouvelle méthode de production de cristaux uniformément dopés et de nouveaux instruments sensibles pour mesurer le spectre des phonons, les chercheurs ont montré, pour la première fois, que même un petit nombre de certains dopants peut avoir un impact important. "Cette approche offre une nouvelle façon de régler le spectre vibratoire des matériaux, ", a déclaré Balandin.

Précédemment, les chercheurs ont supposé que tout effet significatif sur les phonons nécessiterait une concentration très élevée de dopants. Mais, l'équipe a découvert que l'oxyde d'aluminium dopé avec une densité de néodyme de seulement 0,1% était suffisant pour abaisser la fréquence des phonons de quelques gigahertz et la vitesse de 600 mètres par seconde.

L'augmentation de la vitesse des phonons augmente la conductivité thermique d'un matériau, permettant aux minuscules transistors de refroidir plus rapidement. Ralentissement des phonons, d'autre part, serait utile pour fabriquer des appareils thermoélectriques plus efficaces, qui convertissent l'électricité en chaleur et vice versa. Par ailleurs, dans les dispositifs optiques tels que les diodes électroluminescentes, ralentir les phonons et supprimer les interactions des phonons avec les électrons signifierait que plus d'énergie est utilisée pour produire des photons (lumière) et moins est perdue sous forme de chaleur.

Les chercheurs appliquent maintenant leur stratégie à d'autres dopants et matériaux, comme l'arséniure de gallium, dans le but de développer des appareils économes en énergie, dit Balandin.