Une gestion efficace de la chaleur dans les solides est essentielle pour faire progresser la prochaine génération d’électronique. Cependant, le mouvement ondulatoire de la chaleur — connu sous le nom de focalisation des phonons — n’avait été observé qu’à des températures extrêmement basses, ou cryogéniques, ce qui limitait son étude et son utilisation pratique.
Aujourd’hui, des chercheurs de la UCLA Samueli School of Engineering ont démontré que les phonons, vibrations atomiques porteuses de chaleur aux propriétés quantiques, peuvent se déplacer selon des trajectoires focalisées et quasi-rayonnantes à température ambiante. Au lieu de se propager uniformément dans toutes les directions, la chaleur peut suivre des chemins guidés définis par la structure cristalline d’un matériau, ouvrant de nouvelles possibilités pour gérer le flux thermique dans les futures technologies électroniques et quantiques.
Publiée aujourd’hui dans Nature Physics, l’étude est dirigée par Yongjie Hu, professeur de génie mécanique et aérospatial à UCLA Samueli. L’équipe a démontré la focalisation des phonons à température ambiante dans l’arséniure de bore, un matériau semi-conducteur cristallin à haute conductivité thermique. Au lieu d’évacuer la chaleur après qu’elle se soit dispersée, des matériaux comme l’arséniure de bore pourraient permettre à la chaleur de voyager le long de routes prédéterminées avec une précision nanométrique, un peu comme les fibres optiques guident la lumière.
Pour capturer cet effet, les chercheurs ont développé une technique de cartographie de température à l’échelle nanométrique. Dans les matériaux conventionnels, l’équipe a observé des motifs de diffusion de chaleur circulaires, conformes à la conduction thermique diffuse ordinaire. Dans l’arséniure de bore, cependant, les chercheurs ont observé des motifs de température frappants en forme de rayons, démontrant que la chaleur était guidée le long de directions cristallines spécifiques.
L’équipe a également montré que les motifs de flux thermique changent de manière prévisible en fonction de l’orientation du cristal, différents plans cristallins de l’arséniure de bore présentant des motifs de focalisation distincts à six, huit et quatre branches. Fait important, ce comportement quantique des phonons peut persister sur des distances d’un micromètre, et potentiellement jusqu’à des dizaines de micromètres, suffisantes pour de nombreux dispositifs électroniques, photoniques et quantiques modernes.
« Il s’agit d’une observation fondamentale qui nous permet d’envisager la gestion thermique d’une manière nouvelle », explique Hu, auteur correspondant de l’étude et membre du California NanoSystems Institute at UCLA. « En permettant de guider, focaliser et redistribuer la chaleur avec une précision nanométrique à température ambiante, cette découverte établit une base pour l’ingénierie thermique quantique. »
Contrôler le mouvement de la chaleur au niveau atomique pourrait potentiellement aider à surmonter les goulots d’étranglement dans le matériel d’IA, les dispositifs microélectroniques, les systèmes aérospatiaux et autres équipements électroniques, où la surchauffe limite considérablement les performances, la fiabilité et l’évolutivité. Hu a déclaré que cela pourrait également créer des opportunités pour affiner la façon dont les phonons interagissent avec les électrons et autres porteurs d’énergie, avec des applications pour les futures technologies d’information et de détection quantiques.
Les observations précédentes de la focalisation des phonons étaient largement limitées aux températures cryogéniques, généralement à quelques degrés seulement au-dessus du zéro absolu, où les phonons peuvent parcourir de longues distances avec une dispersion minimale. À température ambiante, il a été démontré que les phonons se dispersent largement et perdent rapidement leur cohérence ondulatoire, provoquant une dispersion diffuse de la chaleur.
Ces résultats s’appuient sur les recherches antérieures de Hu qui ont pionnier la découverte expérimentale de l’arséniure de bore en 2018. Son groupe a depuis démontré des interfaces thermiques haute performance et des dispositifs en nitrure de gallium intégrant de l’arséniure de bore pour le refroidissement, soulignant le potentiel de ce matériau pour la technologie des semi-conducteurs de nouvelle génération. La dispersion anormalement faible des phonons de ce matériau permet un transport de chaleur ondulatoire qui persiste à température ambiante.
Les motifs de chaleur observés correspondaient aux calculs théoriques, confirmant que les phonons peuvent parcourir des distances inhabituellement longues avant de se disperser — un facteur clé permettant ce comportement ondulatoire à température ambiante.
Article : Phonon focusing at room temperature – Journal : Nature Physics – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : UCLA
