Quel mécanisme microscopique empêche la chaleur de se propager dans un cristal de clathrate ?

S. Pailhès, V. Giordano, R. Debord  et D. Machon  (équipe (Nano)Matériaux pour l’Energie), viennent de publier dans la revue Physical Review Letters un article intitulé “Localization of propagative phonons in a perfectly crystalline solid”. Ce travail a été effectué dans le cadre d’une étroite collaboration  avec des équipes du CETHIL à Lyon, du SIMAP à Grenoble et de l’Université de Vienne.

Les matériaux inorganiques dits à structures cages présentent un grand intérêt dans le domaine de la conversion électrique de la chaleur par effet thermoélectrique, notamment grâce à la grande diversité de leurs propriétés électroniques et aux faibles valeurs de leur conductivité thermique (~1-2 W.K-1.m-1 à température ambiante). La compréhension et la modélisation des propriétés thermiques de ces systèmes cages font l’objet de récents travaux de recherches.

Dans cet article, les auteurs ont réalisé une étude expérimentale approfondie des phonons par diffusion inélastique des rayons X dans un monocristal de clathrate.  En comparant directement l’expérience aux simulations ab initio, il a été possible de mettre en évidence l’existence d’un mécanisme microscopique de localisation des ondes acoustiques. Cela résulte en une transition du mode de transport de la chaleur d’un mode propagatif vers un mode diffusif, similaire à ce qui est observé dans des systèmes désordonnés. Ce résultat peut être commun à tous les matériaux aux structures cristallographiques complexes.  Il établit un premier lien entre la dynamique de réseau des systèmes cristallins complexes et celle des systèmes désordonnés.