Des scientifiques de l’UCLA découvrent comment guider la chaleur comme la lumière à température ambiante
Des chercheurs de l’UCLA Samueli School of Engineering ont démontré que les phonons, qui sont des vibrations atomiques transportant la chaleur et présentant un comportement quantique, peuvent se déplacer à travers un matériau en suivant des chemins concentrés et rayonnants à température ambiante. Contrairement à la dispersion uniforme dans toutes les directions, la chaleur peut emprunter des trajets déterminés par la structure d’un cristal. Cette découverte pourrait ouvrir de nouvelles voies pour contrôler la chaleur dans les technologies électroniques avancées et quantiques.
La recherche, publiée dans Nature Physics, a été dirigée par Yongjie Hu, professeur de génie mécanique et aérospatial à UCLA Samueli. Son équipe a observé le phénomène de focalisation des phonons à température ambiante dans l’arséniure de bore, un semi-conducteur cristallin reconnu pour sa haute conductivité thermique. Ce type de matériau pourrait permettre aux ingénieurs de diriger la chaleur le long de chemins planifiés avec une précision à l’échelle nanométrique, plutôt que d’attendre qu’elle se propage et d’essayer ensuite de l’éliminer. Ce processus est similaire au fonctionnement des fibres optiques qui canalisent la lumière.
Pour observer ce comportement, les chercheurs ont développé une technique de cartographie de la température à l’échelle nanométrique. Dans les matériaux conventionnels, la chaleur se propage en cercles, ce qui est conforme à la conduction thermique diffuse normale. En revanche, l’arséniure de bore a produit des résultats très différents, avec des cartes de température révélant des motifs distincts en forme de rayons alignés dans des directions spécifiques au sein du cristal.
Les chercheurs ont également constaté que le schéma de flux de chaleur changeait de manière prévisible en fonction de l’orientation du cristal. Différentes faces de l’arséniure de bore ont généré des motifs de focalisation à six, huit et quatre directions. Ce comportement quantique des phonons est resté détectable sur des distances d’un micromètre et pourrait s’étendre sur des dizaines de micromètres, ce qui est suffisant pour de nombreuses applications dans les dispositifs électroniques, photoniques et quantiques modernes.
« Cette observation fondamentale nous permet de repenser la gestion thermique d’une nouvelle manière, » a déclaré Hu. « En permettant à la chaleur d’être guidée, focalisée et redistribuée avec une précision nanométrique à température ambiante, cette découverte établit une base pour l’ingénierie thermique quantique. »
La capacité à contrôler la chaleur au niveau atomique pourrait aider à surmonter des limites majeures dans les matériels d’intelligence artificielle, les dispositifs microélectroniques, les systèmes aérospatiaux et d’autres technologies électroniques. La surchauffe peut réduire la performance, la fiabilité et l’évolutivité de toutes ces technologies. De plus, cette découverte pourrait permettre d’ajuster l’interaction des phonons avec les électrons et d’autres transporteurs d’énergie, favorisant ainsi des avancées futures dans les systèmes d’information quantique et les technologies de détection.
Les précédentes observations de la focalisation des phonons étaient principalement limitées à des températures proches du zéro absolu. À ces températures, les phonons peuvent parcourir de longues distances sans se disperser. À température ambiante, les phonons se dispersent généralement plus fréquemment, perdant rapidement la cohérence nécessaire pour un transport basé sur les ondes, ce qui entraîne une propagation de la chaleur par diffusion ordinaire.
Les nouvelles découvertes s’appuient sur les travaux antérieurs de Hu concernant la découverte expérimentale de l’arséniure de bore en 2018. Depuis, son groupe a développé des interfaces thermiques haute performance et des dispositifs en nitrure de gallium intégrant l’arséniure de bore pour le refroidissement, soulignant le potentiel de ce matériau pour les systèmes semi-conducteurs de prochaine génération. L’arséniure de bore présente une dispersion des phonons particulièrement faible, ce qui permet au transport thermique basé sur les ondes de persister même à température ambiante.
Les motifs de chaleur observés dans les expériences correspondaient étroitement aux calculs théoriques, confirmant que les phonons dans le matériau peuvent parcourir des distances exceptionnellement longues avant de se disperser, ce qui explique pourquoi le comportement basé sur les ondes peut survivre à température ambiante.
Source : Nature Physics
