Simultaneous suppression and temperature-driven crossover of particle-like and wave-like thermal transport in trigonal CsAg$_3$S$_2$

La chaleur se déplace à travers les matériaux solides de deux manières distinctes, un peu comme une foule de personnes tentant de quitter un stade. Parfois, la chaleur voyage sous forme de particules individuelles, rebondissant d'un atome à l'autre dans une ruée chaotique, de type particulaire. D'autres fois, elle se déplace comme une onde coordonnée, où les atomes vibrent à l'unisson, traversant le matériau par effet de tunnel selon un rythme synchronisé. Pendant des décennies, les scientifiques ont été confrontés à un dilemme frustrant lorsqu'ils tentaient d'empêcher le flux de chaleur : les astuces utilisées pour bloquer la ruée particulaire accentuent souvent le flux ondulatoire, et vice versa. Ce bras de fer a rendu extrêmement difficile la recherche de matériaux qui soient de véritables isolants excellents, essentiels pour tout, du maintien de la température des engins spatiaux à l'amélioration des dispositifs qui transforment la chaleur résiduelle en électricité.

Une équipe de chercheurs de l'Institut indien de technologie de New Delhi a maintenant identifié un matériau qui brise cette impasse. En étudiant un cristal spécifique appelé CsAg3S2 trigonal, ils ont découvert un moyen de supprimer simultanément les deux canaux de transport thermique, particulaire et ondulatoire. Leur travail, qui repose sur des simulations informatiques détaillées plutôt que sur des expériences physiques, révèle que ce matériau conduit la chaleur si mal qu'il pourrait changer la donne pour la technologie thermoélectrique. La clé de ce succès réside dans l'architecture interne unique du matériau, qui combine une structure de « grelotteurs » lâche avec un cadre covalent rigide, emprisonnant ainsi la chaleur d'une manière qui semblait auparavant impossible.

Les chercheurs ont commencé par examiner une famille de composés chimiques connus pour leurs structures stratifiées, qui contiennent souvent un mélange d'atomes lourds et légers. Dans ces matériaux, la chaleur est généralement bloquée par des « grelleteurs » (rattlers) : des atomes lâches qui vibrent sauvagement et dispersent les particules porteuses de chaleur. Cependant, les tentatives précédentes pour utiliser cette stratégie présentaient un défaut : si les grelleteurs arrêtaient la chaleur particulaire, le cadre rigide restant permettait encore une quantité significative de chaleur de circuler, et le flux ondulatoire augmentait souvent par effet secondaire. L'équipe s'est concentrée sur un composé spécifique, le CsAg3S2, qui avait été synthétisé sous une autre forme auparavant, mais qui n'avait jamais été étudié sous cette forme trigonale particulière. À l'aide de supercalculateurs puissants, ils ont modélisé le comportement des atomes de cette phase trigonale, vérifiant d'abord que la structure était stable et ne s'effondrerait pas sous l'effet de la chaleur ou de la pression. Leurs calculs ont confirmé que cet arrangement spécifique est non seulement stable, mais aussi énergétiquement favorable, ce qui signifie qu'il est une possibilité réelle pour la nature.

Ce qui rend ce matériau spécial est la façon dont ses différentes parties interagissent. Le cristal est construit à partir d'un cadre covalent rigide d'atomes d'argent et de soufre, lequel est interperméé par des atomes de césium tenus lâchement. Les atomes de césium agissent comme des grelleteurs, vibrant vigoureusement et créant un environnement chaotique qui perturbe le flux particulaire de la chaleur. Mais les chercheurs ont découvert que le cadre argent-soufre joue lui-même un rôle crucial. En remplaçant les atomes de cuivre présents dans un matériau similaire par des atomes d'argent plus lourds, ils ont adouci les liaisons au sein du cadre. Cet adoucissement a ralenti la vitesse à laquelle les vibrations porteuses de chaleur pouvaient voyager, écrasant davantage le transport thermique particulaire. Crucialement, les atomes d'argent lourds n'ont pas perturbé l'arrangement des atomes de soufre. Les atomes de soufre restent légers et forment un ensemble épars et bien séparé de vibrations à haute fréquence. Cette rareté empêche la chaleur ondulatoire de trouver un chemin pour circuler, maintenant ce canal bloqué également.

Le résultat de cette double suppression est un matériau doté d'une capacité exceptionnellement basse à conduire la chaleur. À température ambiante, le matériau conduit la chaleur à un taux de seulement 0,222 watts par mètre par kelvin, une valeur remarquablement basse pour un cristal solide. Plus surprenant encore est la façon dont cette propriété se comporte lorsque la température augmente. Dans la plupart des matériaux, la conductivité thermique chute brusquement à mesure qu'ils chauffent, suivant un schéma prévisible. Ici, la chute est beaucoup plus graduelle. Les chercheurs ont observé qu'à mesure que la température augmentait de la température ambiante jusqu'à 700 kelvins, la façon dont la chaleur se déplaçait à travers le matériau changeait réellement. Aux températures plus basses, la chaleur se déplaçait principalement sous forme de particules. Mais à mesure que le matériau chauffait, le tunnel ondulatoire devenait la méthode de transport dominante, prenant le relais pour environ 63 % du flux de chaleur à 700 kelvins. Ce basculement, ou croisement, s'est produit parce que le canal particulaire était si efficacement supprimé que le canal ondulatoire, bien que toujours faible en termes absolus, est devenu la voie primaire.

Cette découverte n'est pas seulement la recherche d'un matériau froid ; elle pointe vers une nouvelle façon de concevoir les matériaux. L'étude suggère que pour créer les meilleurs isolants, les scientifiques ne doivent pas seulement chercher des atomes grelloteurs, mais doivent également concevoir soigneusement le cadre rigide qui les contient. En rendant ce cadre plus mou et plus lourd, ils peuvent ralentir la chaleur sans accidentellement favoriser le flux ondulatoire. Lorsque l'équipe a combiné ces données thermiques avec des calculs sur la façon dont l'électricité circule dans le matériau, elle a découvert qu'il pourrait s'agir d'un excellent générateur thermoélectrique. Pour un type spécifique de dopage électrique, le matériau pourrait atteindre un score de performance de 1,28 à haute température, une valeur qui indique qu'il pourrait convertir efficacement la chaleur en électricité. Bien que ces résultats proviennent de simulations et n'aient pas encore été vérifiés dans un laboratoire physique, les conclusions offrent un schéma directeur clair pour les matériaux futurs. Elles montrent qu'en comprenant la danse microscopique entre les différents types de vibrations atomiques, il est possible de concevoir des solides qui stoppent la chaleur dans son élan, ouvrant la voie à des technologies énergétiques plus efficaces.