Vibrationsrörelsen hos en atom i en kristall fortplantar sig till angränsande atomer, vilket leder till vågliknande utbredning av vibrationerna genom hela kristallen. Det sätt på vilket dessa naturliga vibrationer färdas genom den kristallina strukturen avgör materialets grundläggande egenskaper. Till exempel, dessa vibrationer bestämmer hur väl värme och elektroner kan passera materialet, och hur materialet interagerar med ljus.

Nu, forskare har visat att genom att byta ut bara en liten del av ett materials atomer med atomer av ett annat grundämne, de kan kontrollera hastigheten och frekvenserna för dessa vibrationer. Denna demonstration, publicerad i Bokstäver i tillämpad fysik , ger ett potentiellt enklare och billigare sätt att justera ett material egenskaper, möjliggör ett brett utbud av nya och mer effektiva enheter, såsom i halvledarbelysning och elektronik.

De naturliga vibrationerna i ett kristallint material färdas som partiklar som kallas fononer. Dessa fononer bär värme, spridningselektroner, och påverka elektronernas interaktioner med ljus. Tidigare, forskare kontrollerade fononer genom att dela upp materialet i mindre bitar vars gränser kan sprida fononerna, begränsar deras rörelse. På senare tid, forskare har konstruerat strukturer i nanoskala, som nanotrådar, in i materialet för att manipulera fonons hastighet och frekvenser.

Ett team av forskare från University of California, Riverside och University of California, San Diego har nu funnit att man genom att dopa sig – införa olika element i materialet – kan kontrollera fononer. Forskarna dopade aluminiumoxid med neodym, som ersätter en del av aluminiumatomerna. Eftersom neodym är större och mer massiv än aluminium, det förändrar materialets vibrationsegenskaper, ändra hur fononer kan resa.

"Det introducerar förvrängning av gittret, som kvarstår över ett stort avstånd jämfört med atomstorleken, och påverkar hela vibrationsspektrat, " sa Alexander Balandin vid University of California, Riverside.

Genom att använda en ny metod för att producera jämnt dopade kristaller och nya känsliga instrument för att mäta fononspektrum, forskarna visade, för första gången, att även ett litet antal vissa dopämnen kan ha stor inverkan. "Det här tillvägagångssättet ger ett nytt sätt att ställa in vibrationsspektrat av material, sa Balandin.

Tidigare, forskare antog att varje betydande effekt på fononer skulle kräva en mycket hög koncentration av dopämnen. Men, teamet fann att dopad aluminiumoxid med en neodymdensitet på endast 0,1 procent var tillräckligt för att sänka fononfrekvensen med några gigahertz och hastigheten med 600 meter per sekund.

Att öka fononhastigheterna ökar ett materials värmeledningsförmåga, låter små transistorer svalna snabbare. Sakta fononer, å andra sidan, skulle vara användbart för att göra mer effektiva termoelektriska anordningar, som omvandlar el till värme och vice versa. Vidare, i optiska enheter som lysdioder, Att bromsa fononer och undertrycka fononinteraktioner med elektroner skulle innebära att mer energi används för att producera fotoner (ljus) och att mindre går förlorad som värme.

Forskarna tillämpar nu sin strategi på andra dopämnen och material, såsom galliumarsenid, med sikte på att utveckla energieffektiva enheter, sa Balandin.