Des pièges à chaleur nanoscopiques surprenants découverts dans les diamants

Des scientifiques découvrent des « points chauds » autour de défauts atomiques dans les diamants remettant en question les hypothèses sur le meilleur conducteur de chaleur au monde.

Le diamant, célèbre en science des matériaux pour être le meilleur conducteur de chaleur naturel sur Terre – mais de nouvelles recherches révèlent qu’à l’échelle atomique, il peut brièvement piéger la chaleur de manière inattendue. Ces découvertes pourraient influencer la façon dont les scientifiques conçoivent les technologies quantiques à base de diamant, y compris les capteurs ultra-précis et les futurs ordinateurs quantiques.

Dans une étude publiée dans Physical Review Letters, des chercheurs de l’Université de Warwick et leurs collaborateurs ont montré que lorsque certains défauts à l’échelle moléculaire dans le diamant sont excités par la lumière, ils créent de minuscules « points chauds » de courte durée qui déforment momentanément le cristal environnant. Ces distorsions ne durent que quelques billionièmes de seconde mais sont suffisamment longues pour affecter le comportement des défauts pertinents pour le quantique.

« Trouver un état fondamental chaud pour un défaut à l’échelle moléculaire dans le diamant a été extrêmement surprenant pour nous », explique le professeur James Lloyd-Hughes, Département de physique, Université de Warwick. « Le diamant est le meilleur conducteur thermique, on s’attendrait donc à ce que le transport d’énergie empêche un tel effet. Cependant, à l’échelle nanométrique, certains phonons – des paquets d’énergie vibrationnelle – persistent près du défaut, créant un environnement chaud miniature qui exerce une pression sur le défaut lui-même. »

L’équipe a étudié un défaut atomique spécifique dans le diamant où un atome d’azote se trouve à la place d’un atome de carbone et se lie à l’hydrogène – connu sous le nom de défaut Ns:H-C0. Lorsque les chercheurs ont excité la liaison C–H du défaut avec des impulsions laser infrarouges ultrarapides, ils s’attendaient à ce que la chaleur se dissipe immédiatement dans le réseau cristallin du diamant.

Au lieu de cela, une spectroscopie avancée a révélé un effet curieux : le défaut est brièvement entré dans ce que les scientifiques appellent un « état fondamental chaud » – ce qui signifie que le cristal environnant était encore chaud et que le défaut était altéré. La présence d’énergie vibrationnelle accumulée à proximité a décalé la signature infrarouge du défaut vers une énergie plus élevée, prenant quelques picosecondes pour atteindre un pic puis décroître.

Le Dr Junn Keat, PDRA, Département de physique, Université d’Oxford et ancien doctorant à Warwick, déclare : « Pour cette étude, nous avons utilisé la spectroscopie cohérente multidimensionnelle (2DIR) pour étudier le défaut, ce qui nous permet de séparer la réponse du défaut produite par la lumière avec différentes énergies. C’est la première fois que nous appliquons cette technique à l’étude des défauts du diamant, et l’observation directe de la formation d’un état fondamental chaud a dépassé nos attentes. Nous sommes très satisfaits des résultats de cette approche novatrice et sommes impatients de voir ce que nous pouvons étudier d’autre avec cette technique. »

L’équipe a également expliqué pourquoi le diamant ne parvient pas à évacuer cette énergie instantanément. Le défaut libère son énergie en générant des phonons particuliers de grande énergie – le type de vibrations qui ne se propagent pas loin. Ces phonons se déplacent lentement et se dispersent rapidement, créant une minuscule bulle de chaleur autour du défaut avant de finalement se décomposer en vibrations plus rapides et transportant la chaleur.

Le Dr Jiahui Zhao, Département de physique, Université de Warwick, ajoute : « Le chauffage local momentané est important car les défauts sont de minuscules systèmes quantiques sensibles, et même des changements fugaces dans leur environnement peuvent affecter leur stabilité, leur précision et leur utilité dans les technologies quantiques. »

Les défauts comme les centres azote-lacune (NV) et silicium-lacune (SiV) dans le diamant servent de capteurs sensibles et de blocs de construction pour le traitement de l’information quantique. Leur performance dépend du maintien de la stabilité de leurs états de spin – et ces états de spin sont fortement influencés par les vibrations dans le réseau environnant.

Les nouvelles découvertes indiquent que les techniques optiques utilisées pour contrôler les défauts peuvent générer involontairement de petites poches de chaleur de courte durée. Ces pics de température locaux peuvent perturber subtilement les états de spin, affectant potentiellement les temps de cohérence et les performances globales des dispositifs quantiques à base de diamant.

Article : Hot-Phonon-Induced Distortion of Diamond Defects on Ultrafast Timescales – Journal : Physical Review Letters – Méthode : Experimental study – DOI : dx.doi.org/10.1103/mvdf-bdrx

Source : Université de Warwick