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

Warmte beweegt door vaste stoffen op twee verschillende manieren, een dualiteit die wetenschappers al lang verbaast bij het proberen te creëren van de meest effectieve thermische isolatoren ter wereld. In materialen die geen elektriciteit geleiden, reist warmte voornamelijk door de trillingen van de atomen waaruit de kristalstructuur is opgebouwd. Decennialang geloofden onderzoekers dat ze, om deze warmte te stoppen, deze trillingen zo veel mogelijk moesten verstrooien, vergelijkbaar met het plaatsen van obstakels in het pad van een hardloper. Een dieper begrip van de natuurkunde heeft echter een complexere realiteit onthuld: deze atomaire trillingen gedragen zich zowel als kleine deeltjes die door een rooster stuiteren, als golven die door barrières kunnen tunnelen. De uitdaging was dat de strategieën die werden gebruikt om de deeltjesachtige beweging te stoppen, vaak onbedoeld de golfachtige beweging hielpen, wat een fundamentele limiet stelde aan hoe koud een materiaal kon worden. Deze competitie heeft ervoor gezorgd dat de beste isolatoren nooit hun theoretische minimum bereikten, waardoor er een kloof ontstond tussen wat mogelijk is en wat is bereikt.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier gevonden om deze patstelling te doorbreken door een materiaal te ontwerpen dat beide soorten warmtebeweging tegelijkert of stopt. Door zich te concentreren op een specifieke familie van kristallen die lange, draaiende ketens vormen, ontdekten zij dat de atomen in deze structuren zo nauw worden ingeperkt dat hun trillingen in essentie op hun plaats bevriezen. Dit fenomeen, bekend als fonon-lokalisatie, creëert een toestand waarin de trillingen zo traag zijn dat ze niet als deeltjes kunnen bewegen, noch als golven kunnen tunnelen. Het resultaat is een materiaal met een recordbrekend vermogen om warmte te blokkeren, wat een nieuw blauwdruk biedt voor het ontwerpen van de ultieme thermische isolatoren.

De onderzoekers richtten hun studie op een groep verbindingen bestaande uit indium, gallium of aluminium gecombineerd met selenium en jodium. Deze materialen vormen een unieke architectuur: lange, eendimensionale buizen van atomen die in een helix draaien, vergelijkbaar met een wenteltrap. Deze buizen zijn dicht op elkaar gepakt, maar de krachten die hen aan elkaar houden zijn ongelooflijk zwak, zoals de milde aantrekkingskracht tussen twee vellen papier, terwijl de bindingen binnen de buizen sterk zijn. Deze structurele arrangement, gecombineerd met de aanwezigheid van zware atomen, creëert een perfecte storm voor het vangen van warmte. De zware atomen bewegen traag, en de zwakke verbindingen tussen de buizen voorkomen dat de trillingen gemakkelijk van de ene keten naar de volgende verspreiden.

Toen het team het gedrag van deze kristallen simuleerde, ontdekten zij dat de trillingen binnen het materiaal sterk gelokaliseerd raakten. In plaats van vrij door het kristal te reizen, bleven de trillingen vastzitten in kleine regio's, zonder in staat om momentum te verkrijgen. Deze opsluiting had een dubbel effect. Ten eerste stopte het de deeltjesachtige stroom van warmte omdat de trillingen simpelweg niet snel genoeg konden bewegen om energie te dragen. Ten tweede, en nog verrassender, stopte het ook de golfachtige tunneling. Normaal gesproken kunnen trillingen, wanneer ze dicht op elkaar gepakt zijn in een complexe kristalstructuur, overlappen en door elkaar heen tunnelen, waardoor warmte kan binnensluipen zelfs wanneer de deeltjesstroom geblokkeerd is. Maar in deze gedraaide ketens waren de trillingen zo gelokaliseerd en de energieniveaus zo verschillend dat de golfachtige tunneling ook werd verpletterd. De twee kanalen van warmtetransport, die normaal gesproken met elkaar concurreren of elkaar compenseren, werden effectief ontkoppeld en tegelijkertijd onderdrukt.

De cijfers uit hun simulaties zijn opmerkelijk. Voor een verbinding genaamd indiumselenidejodide werd de warmtestroom tussen de ketens bij kamertemperatuur gemeten op slechts 0,198 watt per meter-kelvin. Dit is een uitzonderlijk lage waarde, maar nog indrukwekkender waren de resultaten voor de verwante verbindingen galliumselenidejodide en aluminiumselenidejodide. Deze materialen bereikten nog lagere waarden, namelijk 0,086 en 0,089 watt per meter-kelvin respectievelijk bij kamertemperatuur. Om dit in perspectief te plaatsen: deze waarden zijn zo laag dat ze de theoretische limiet benaderen van hoe weinig warmte een vaste kristalstructuur kan geleiden. Zelfs bij hoge temperaturen van 900 kelvin behielden deze materialen hun isolerend vermogen, waarbij de waarden verder daalden naar 0,058 en 0,059 watt per meter-kelvin. Dit gedrag is ongewoon, omdat veel materialen die goed warmte blokkeren bij lage temperaturen, meer warmte gaan geleiden naarmate ze heter worden, maar deze kristallen werden juist beter in isoleren naarmate de temperatuur steeg.

De sleutel tot dit succes ligt in het specifieke ontwerp van het materiaal. De onderzoekers toonden aan dat de zware atomen en de zwakke verbindingen tussen de ketens de trillingen in een toestand dwongen waarin ze bijna geen snelheid hadden. In de taal van de natuurkunde werd de groepsnelheid, die beschrijft hoe snel een trilling reist, teruggebracht tot een nagenoeg stilstand. Dit gebeurde omdat de trillingen werden samengeperst in vlakke energiestructuren (energy bands), wat betekende dat ze geen ruimte hadden om te bewegen of uit te spreiden. Het team bevestigde dit door de elektronverdeling te analyseren, die aantoonde dat de elektronen stevig gebonden waren binnen de ketens, maar volledig los en verspreid waren tussen de ketens. Dit bevestigde dat de ketens werden samengehouden door zeer zwakke krachten, waardoor de trillingen gevangen konden raken.

Dit werk suggereert dat de weg naar de laagst mogelijke thermische geleidbaarheid niet ligt in het complexer maken van kristallen of het toevoegen van meer onzuiverheden om warmte te verstrooien, maar in het creëren van een specifiek type opsluiting. Door materialen te ontwerpen waarbij trillingen worden gedwongen om op hun plaats te blijven, kunnen wetenschappers de warmte in elke vorm stoppen. De studie biedt een duidelijk voorbeeld van hoe dimensionale opsluiting – het beperken van het materiaal tot een eendimensionale vorm – kan worden gebruikt om eigenschappen te ontwerpen die voorheen als onmogelijk te bereiken werden beschouwd in een enkel kristal. Deze bevindingen bieden een nieuwe richting voor het creëren van materialen die gevoelige elektronica kunnen beschermen tegen hitte of de efficiëntie van apparaten die restwarmte omzetten in elektriciteit kunnen verbeteren, door eindelijk de fundamentele afruil te overwinnen die de thermische isolatie zo lang heeft beperkt.