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A sequence showing how thermal energy, carried by electrons, spreads through theta-phase tantalum nitride after the meta

Une séquence montrant comment l'énergie thermique, transportée par les électrons, se propage à travers le nitrure de tantale en phase thêta après que le matériau métallique a été frappé par une impulsion lumineuse, de 0,1 à 10 picosecondes (Crédit : H-Lab/UCLA)

Des chercheurs découvrent un matériau métallique à conductivité thermique record

par La rédaction
27 janvier 2026
en Matériaux, Technologie

Une équipe de recherche multi-institutionnelle dirigée par l’UCLA a découvert un matériau métallique présentant la conductivité thermique la plus élevée jamais mesurée parmi les métaux, remettant en question les hypothèses de longue date sur les limites du transport de chaleur dans les matériaux métalliques.

Publiée dans Science, l’étude est dirigée par Yongjie Hu, professeur de génie mécanique et aérospatial à la Samueli School of Engineering de l’UCLA. L’équipe a rapporté que le nitrure de tantale en phase thêta métallique conduit la chaleur près de trois fois plus efficacement que le cuivre ou l’argent, les meilleurs métaux conducteurs de chaleur conventionnels.

La conductivité thermique décrit l’efficacité avec laquelle un matériau peut transporter la chaleur. Les matériaux à haute conductivité thermique sont essentiels pour éliminer les points chauds localisés dans les dispositifs électroniques, où la surchauffe limite les performances, la fiabilité et l’efficacité énergétique. Le cuivre domine actuellement le marché mondial des dissipateurs thermiques, représentant environ 30 % des matériaux de gestion thermique commerciaux, avec une conductivité thermique d’environ 400 watts par mètre-kelvin.

L’équipe dirigée par l’UCLA a découvert que le nitrure de tantale en phase thêta métallique, en revanche, possède une conductivité thermique ultrarapide d’environ 1 100 W/mK, établissant une nouvelle référence pour les matériaux métalliques et redéfinissant ce qui est possible pour le transport de chaleur dans les métaux.

« Alors que les technologies d’IA progressent rapidement, les besoins en dissipation thermique repoussent les limites des métaux conventionnels comme le cuivre, et la forte dépendance mondiale au cuivre dans les puces et les accélérateurs d’IA devient une préoccupation critique », explique Hu, qui est également membre du California NanoSystems Institute de l’UCLA. « Nos recherches montrent que le nitrure de tantale en phase thêta pourrait être une alternative fondamentalement nouvelle et supérieure pour atteindre une conductivité thermique plus élevée et pourrait aider à guider la conception des matériaux thermiques de nouvelle génération. »

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Pendant plus d’un siècle, le cuivre et l’argent ont représenté la limite supérieure de la conductivité thermique parmi les métaux. Dans les matériaux métalliques, la chaleur est transportée à la fois par les électrons libres et par les vibrations atomiques appelées phonons. Les interactions fortes entre électrons et phonons et les interactions phonon-phonon ont historiquement limité l’efficacité avec laquelle la chaleur peut circuler dans les métaux. La découverte de l’UCLA démontre que cette référence de longue date peut être dépassée.

La modélisation théorique suggérait que le nitrure de tantale en phase thêta pourrait présenter un transport de chaleur inhabituellement efficace en raison de sa structure atomique unique, dans laquelle les atomes de tantale sont intercalés avec des atomes d’azote selon un motif hexagonal. L’équipe a confirmé la performance du matériau en utilisant plusieurs techniques, notamment la diffusion de rayons X basée sur le synchrotron et la spectroscopie optique ultrarapide. Ces mesures ont révélé des interactions électron-phonon extrêmement faibles, permettant à la chaleur de circuler bien plus efficacement que dans les métaux conventionnels.

Au-delà de la microélectronique et du matériel d’IA, les chercheurs affirment que cette découverte pourrait impacter un large éventail de technologies de plus en plus limitées par la chaleur, y compris les centres de données, les systèmes aérospatiaux et les plateformes quantiques émergentes.

Chercheur de premier plan dans la gestion thermique des composants électroniques, Hu a été le pionnier de la découverte expérimentale de l’arséniure de bore, un autre matériau semi-conducteur à haute conductivité thermique, en 2018. Son groupe a depuis démontré des interfaces thermiques hautes performances et des dispositifs à nitrure de gallium intégrant de l’arséniure de bore pour le refroidissement, soulignant le potentiel de ce matériau pour les technologies semi-conductrices de nouvelle génération.

Les co-auteurs principaux de l’étude sont Suixuan Li, Chuanjin Su et Zihao Qin — tous étudiants diplômés du H-Lab de Hu à UCLA Samueli. Les autres auteurs proviennent du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie, du Laboratoire national Lawrence Berkeley, de l’Université du Tohoku au Japon et de l’Institut de recherche sur les matériaux de l’UC Irvine.

La recherche a été financée en partie par le Département américain de l’énergie et la National Science Foundation. Le soutien informatique a été fourni par le Research Technology Group de l’UCLA Institute for Digital Research and Education et par Bridges-2 au Pittsburgh Supercomputing Center.

Article : Metallic θ-phase tantalum nitride has a thermal conductivity triple that of copper – Journal : Science – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

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Tags: conductivitémetalrefroidissementthermique
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A UCLA-led, multi-institution research team has discovered a metallic material with the highest thermal conductivity measured among metals, challenging long-standing assumptions about the limits of heat transport in metallic materials.

Published in Science, the study is led by Yongjie Hu, a professor of mechanical and aerospace engineering at the UCLA Samueli School of Engineering. The team reported that metallic theta-phase tantalum nitride conducts heat nearly three times more efficiently than copper or silver, the best conventional heat-conducting metals.

Thermal conductivity describes how efficiently a material can carry heat. Materials with high thermal conductivity are essential for removing localized hotspots in electronic devices, where overheating limits performance, reliability and energy efficiency. Copper currently dominates the global heat-sink market, accounting for roughly 30% of commercial thermal-management materials, with a thermal conductivity of about 400 watts per meter-kelvin.

The UCLA-led team found that metallic theta-phase tantalum nitride, in contrast, has an ultrahigh thermal conductivity of approximately 1,100 W/mK, setting a new benchmark for metallic materials and redefining what is possible for heat transport in metals.

“As AI technologies advance rapidly, heat-dissipation demands are pushing conventional metals like copper to their performance limits, and the heavy global reliance on copper in chips and AI accelerators is becoming a critical concern,” said Hu, who is also a member of the California NanoSystems Institute at UCLA. “Our research shows that theta-phase tantalum nitride could be a fundamentally new and superior alternative for achieving higher thermal conductivity and may help guide the design of next-generation thermal materials.”

For more than a century, copper and silver have represented the upper bound of thermal conductivity among metals. In metallic materials, heat is carried by both free-moving electrons and atomic vibrations known as phonons. Strong interactions between electrons and phonons and phonon-phonon interactions have historically limited how efficiently heat can flow in metals. The UCLA discovery demonstrates that this long-standing benchmark can be surpassed.

Theoretical modeling suggested that theta-phase tantalum nitride could exhibit unusually efficient heat transport due to its unique atomic structure, in which tantalum atoms are interspersed with nitrogen atoms in a hexagonal pattern. The team confirmed the material’s performance using multiple techniques, including synchrotron-based X-ray scattering and ultrafast optical spectroscopy. These measurements revealed extremely weak electron–phonon interactions, enabling heat to flow far more efficiently than in conventional metals.

Beyond microelectronics and AI hardware, the researchers say the discovery could impact a wide range of technologies increasingly limited by heat, including data centers, aerospace systems and emerging quantum platforms.

A leading researcher in electronics thermal management, Hu pioneered the experimental discovery of boron arsenide, another high-thermal-conductivity semiconductor material, in 2018. His group has since demonstrated high-performance thermal interfaces and gallium nitride devices integrating boron arsenide for cooling, highlighting the material’s promise for next-generation semiconductor technologies. 

The study’s co-lead authors are Suixuan Li, Chuanjin Su and Zihao Qin — all graduate students of Hu’s H-Lab at UCLA Samueli. Additional authors are from the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, Tohoku University in Japan and the UC Irvine Materials Research Institute.

The research was funded in part by the U.S. Department of Energy and the National Science Foundation. Computational support was provided by the UCLA Institute for Digital Research and Education’s Research Technology Group and Bridges-2 at the Pittsburgh Supercomputing Center.

Journal

Science

DOI

10.1126/science.aeb1142

Method of Research

Experimental study

Subject of Research

Not applicable

Article Title

Metallic θ-phase tantalum nitride has a thermal conductivity triple that of copper

Article Publication Date

15-Jan-2026

COI Statement

The authors declare no competing interests.

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