Phonon-Localization-Driven Decoupling of Dual-Channel Transport for Record-Low Intrinsic Lattice Thermal Conductivity

Il calore si muove attraverso i materiali solidi in due modi distinti, una dualità che ha a lungo messo in crisi gli scienziati che cercano di creare i più efficaci isolanti termici al mondo. Nei materiali che non conducono elettricità, il calore viaggia principalmente attraverso le vibrazioni degli atomi che compongono la struttura cristallina. Per decenni, i ricercatori hanno creduto che, per fermare questo calore, fosse necessario disperdere queste vibrazioni il più possibile, proprio come lanciare ostacoli nel percorso di un corridore. Tuttavia, una comprensione più profonda della fisica ha rivelato una realtà più complessa: queste vibrazioni atomiche si comportano sia come minuscole particelle che rimbalzano attraverso un reticolo, sia come onde capaci di attraversare le barriere per effetto tunnel. La sfida è stata che le strategie utilizzate per fermare il movimento di tipo particellare spesso favoriscono involontariamente il movimento di tipo ondulatorio, creando un limite fondamentale a quanto un materiale possa raffreddarsi. Questa competizione ha impedito ai migliori isolanti di raggiungere il loro minimo teorico, lasciando un divario tra ciò che è possibile e ciò che è stato raggiunto.

Un team di ricercatori ha ora trovato un modo per rompere questo stallo, progettando un materiale che blocchi entrambi i tipi di movimento del calore contemporaneamente. Concentrandosi su una specifica famiglia di cristalli che formano lunghe catene ritorte, hanno scoperto che gli atomi in queste strutture diventano così strettamente confinati che le loro vibrazioni essenzialmente si congelano sul posto. Questo fenomeno, noto come localizzazione dei fononi, crea uno stato in cui le vibrazioni sono così lente da non poter muoversi né come particelle, né per effetto tunnel come onde. Il risultato è un materiale con una capacità record di bloccare il calore, offrendo un nuovo modello per l'ingegneria dei massimi isolanti termici.

I ricercatori si sono concentrati nel loro studio su un gruppo di composti fatti di indio, gallio o alluminio combinati con selenio e iodio. Questi materiali formano un'architettura unica: lunghi tubi monodimensionali composti da atomi che si avvitano in un'elica, simile a una scala a chiocciola. Questi tubi sono impacchettati, ma le forze che li tengono uniti l'uno all'altro sono incredibilmente deboli, come la tenue attrazione tra due fogli di carta, mentre i legami all'interno dei tubi sono forti. Questa disposizione strutturale, combinata con la presenza di atomi pesanti, crea la "tempesta perfetta" per intrappolare il calore. Gli atomi pesanti si muovono lentamente e le deboli connessioni tra i tubi impediscono alle vibrazioni di diffondersi facilmente da una catena all'altra.

Quando il team ha simulato il comportamento di questi cristalli, ha scoperto che le vibrazioni all'interno del materiale diventavano altamente localizzate. Invece di viaggiare liberamente attraverso il cristallo, le vibrazioni rimanevano bloccate in piccole regioni, incapaci di acquisire quantità di moto. Questo confinamento ha avuto un duplice effetto. In primo luogo, ha fermato il flusso di calore di tipo particellare perché le vibrazioni semplicemente non potevano muoversi abbastanza velocemente da trasportare energia. In secondo luogo, e in modo più sorprendente, ha bloccato anche l'effetto tunnel ondulatorio. Di solito, quando le vibrazioni sono ammassate in un cristallo complesso, possono sovrapporsi e passare l'una attraverso l'altra per effetto tunnel, permettendo al calore di infiltrarsi anche quando il flusso particellare è bloccato. In queste catene ritorte, però, le vibrazioni erano così localizzate e i livelli di energia così distinti che anche l'effetto tunnel ondulatorio è stato schiacciato. I due canali di trasporto del calore, che di solito competono o si compensano a vicenda, sono stati efficacemente disaccoppiati e soppressi simultaneamente.

I numeri provenienti dalle loro simulazioni sono impressionanti. Per un composto chiamato ioduro di selenio di indio, il calore che fluisce tra le catene a temperatura ambiente è stato misurato a soli 0,198 watt per metro-kelvin. Si tratta di un valore eccezionalmente basso, ma ancora più straordinari sono stati i risultati per i composti correlati, il selenide di gallio e iodio e l'alluminio selenide e iodio. Questi materiali hanno raggiunto valori ancora più bassi, scendendo rispettivamente a 0,086 e 0,089 watt per metro-kelvin a temperatura ambiente. Per dare un termine di paragone, questi valori sono così bassi da avvicinarsi al limite teorico di quanto poco calore possa condurre un cristallo solido. Anche ad alte temperature di 900 kelvin, questi materiali hanno mantenuto la loro capacità isolante, con valori che sono scesi ulteriormente a 0,058 e 0,059 watt per metro-kelvin. Questo comportamento è insolito perché molti materiali che bloccano bene il calore a basse temperature iniziano a condurre più calore man mano che si scaldano, ma questi cristalli sono diventati migliori nell'isolare all'aumentare della temperatura.

La chiave di questo successo risiede nel design specifico del materiale. I ricercatori hanno dimostrato che gli atomi pesanti e le deboli connessioni tra le catene hanno costretto le vibrazioni in uno stato in cui avevano quasi nessuna velocità. Nel linguaggio della fisica, la velocità di gruppo, che descrive quanto velocemente si muove una vibrazione, è stata ridotta a un quasi fermo. Ciò è accaduto perché le vibrazioni sono state compresse in bande di energia piatte, il che significa che non avevano spazio per muoversi o diffondersi. Il team ha confermato questo analizzando la distribuzione elettronica, che mostrava come gli elettroni fossero strettamente legati all'interno delle catene, ma completamente liberi e diffusi tra di esse. Ciò ha confermato che le catene erano tenute insieme da forze molto deboli, permettendo alle vibrazioni di rimanere intrappolate.

Questo lavoro suggerisce che la strada verso la minima conducibilità termica possibile non risiede nel rendere i cristalli più complessi o nell'aggiungere più impurità per disperdere il calore, bensì nel creare un tipo specifico di confinamento. Progettando materiali in cui le vibrazioni sono costrette a restare sul posto, gli scienziati possono fermare il movimento del calore in qualsiasi forma. Lo studio fornisce un chiaro esempio di come il confinamento dimensionale — ovvero restringere il materiale a una forma monodimensionale — possa essere utilizzato per ingegnerizzare proprietà che prima si pensava fossero impossibili da raggiungere in un singolo cristallo. Queste scoperte offrono una nuova direzione per la creazione di materiali in grado di proteggere l'elettronica sensibile dal calore o migliorare l'efficienza dei dispositivi che convertono il calore disperso in elettricità, superando finalmente il compromesso fondamentale che ha limitato l'isolamento termico per così tanto tempo.