Écoulement hydrodynamique de la chaleur : quand elle remonte vers le chaud

Pour comprendre comment la chaleur s’écoule normalement, vous pourriez étudier le deuxième principe de la thermodynamique – ou envelopper vos mains autour d’une tasse de café brûlante. Les deux nous disent que la chaleur tend à s’écouler vers les régions plus froides. Lorsque l’énergie thermique d’un matériau augmente, ses atomes vibrent, et la mécanique quantique décrit ces vibrations sous forme de phonons : des quasiparticules qui transportent la chaleur. Normalement, les collisions entre phonons provoquent une dissipation lente de la chaleur. Mais dans les cristaux purs et hautement ordonnés, ces collisions peuvent entraîner un flux de chaleur directionnel, semblable à un fluide, connu sous le nom d’hydrodynamique des phonons.

Des chercheurs du groupe de Théorie et Simulation des Matériaux, dirigé par Nicola Marzari, à l’École d’ingénierie de l’EPFL ont démontré théoriquement que l’écoulement hydrodynamique de la chaleur peut provoquer des tourbillons thermiques, et même faire remonter la chaleur des régions froides vers les régions chaudes. À l’aide de simulations, ils montrent comment maximiser cet écoulement dans une bande 2D de graphite cristallin. En plus de révéler la physique sous-jacente de ce phénomène pour la première fois, leur modèle analytique offre un outil puissant pour exploiter le retour de flux thermique et gérer l’énergie thermique dans les appareils électroniques.

« Les travaux précédents s’appuyaient sur la modélisation numérique, qui décrit les motifs de température mais n’explique pas pleinement comment les grandeurs physiques s’influencent mutuellement », explique le premier auteur et ancien chercheur de l’EPFL Enrico Di Lucente, aujourd’hui postdoctorant à l’université de Columbia. « Grâce à notre cadre analytique, nous avons montré que le retour de flux thermique est maximisé lorsque l’écoulement est quasiment incompressible. Notre approche permettra de guider les expérimentateurs dans le développement d’appareils électroniques exploitant cet effet pour gérer la chaleur plus efficacement. »

Les chercheurs affirment que leurs travaux, récemment publiés dans Physical Review Letters, pourraient avoir un impact sur la gestion thermique dans de multiples secteurs, allant de l’électronique grand public et l’industrie au stockage d’énergie, en passant par les centres de données et le cloud computing.

Une voie vers des appareils électroniques plus froids et plus rapides

Bien que les preuves expérimentales de l’hydrodynamique des phonons remontent aux années 1960, les chercheurs manquaient de la compréhension théorique fondamentale nécessaire pour exploiter pleinement la nature fluide de l’écoulement thermique hydrodynamique.

Le cadre analytique de l’équipe de l’EPFL révèle que le profil de température d’un système hydrodynamique peut être décomposé en vorticité (comment le flux thermique tourbillonne) et compressibilité (comment il est comprimé). Cela explique pourquoi le retour de flux thermique est maximisé lorsque la compressibilité est minimisée : lorsque le flux thermique est incompressible, il ne peut être comprimé ou entassé lorsqu’il rencontre une résistance, mais est redirigé vers l’arrière. Ce renversement localisé permet un flux plus efficace et coordonné en réduisant l’accumulation de chaleur, qui peut entraîner une surchauffe et une détérioration des performances des appareils électroniques.

« Dans le retour de flux hydrodynamique, la chaleur circule des régions froides vers les régions chaudes, ce qui entraîne une différence de température négative et une résistance thermique globale négative dans l’appareil », souligne Di Lucente. « Cet effet est très faible, mais nous pouvons désormais concevoir des expériences pour le maximiser, ce qui pourrait changer notre vision des pertes d’énergie dans les systèmes électroniques. Par exemple, on pourrait imaginer un smartphone avec un composant hydrodynamique pour diriger l’énergie thermique loin de la batterie, afin qu’elle ne surchauffe pas. »

Marzari précise que ces formulations peuvent être utilisées pour étudier n’importe quel autre porteur microscopique, des électrons aux particules quantiques plus complexes, et que la facilité avec laquelle ces porteurs se déplacent peut être calculée directement à partir des équations fondamentales de la mécanique quantique (premiers principes).

« Outre ce développement théorique important, nos simulations de premiers principes fournissent une description réaliste des systèmes physiques rapidement et à moindre coût par rapport à la construction de nouveaux dispositifs expérimentaux. En même temps, elles peuvent indiquer où les efforts expérimentaux doivent être concentrés pour développer une électronique plus économe en chaleur », conclut-il.

Article : Vortices and backflow in hydrodynamic heat transport – Journal : Physical Review Letters – Méthode : Computational simulation/modeling – DOI : Lien vers l’étude

Source : EPFL