La course à l’efficacité énergétique se joue à l’échelle de l’électron unique

Les avancées en nanotechnologie transforment les industries de la communication et de l’énergie. Les chercheurs exploitent les propriétés quantiques à l’échelle nanométrique pour créer des matériaux aux caractéristiques améliorées. Cependant, le bruit électronique demeure un obstacle majeur à surmonter.

La nanotechnologie progresse rapidement, suscitant un intérêt croissant dans divers secteurs industriels. À l’échelle nanométrique, équivalente à un millionième de millimètre, les particules obéissent aux lois de la mécanique quantique. L’exploitation de ces propriétés permet aux scientifiques de concevoir des matériaux aux caractéristiques améliorées en termes de conductivité, de magnétisme et d’efficacité énergétique.

Janine Splettstösser, Professeure de Physique Quantique Appliquée à l’Université de Technologie Chalmers, a indiqué : « Aujourd’hui, nous constatons l’impact concret de la nanotechnologie – les dispositifs nanométriques sont des composants essentiels pour des technologies plus rapides et les nanostructures rendent les matériaux pour la production d’énergie plus efficaces.« 

Des dispositifs plus petits qu’une cellule humaine

Pour manipuler les courants de charge et d’énergie jusqu’au niveau de l’électron unique, les chercheurs utilisent des dispositifs nanométriques, des systèmes plus petits qu’une cellule humaine. Ces systèmes nanoélectroniques peuvent agir comme de « minuscules moteurs » effectuant des tâches spécifiques, en tirant parti des propriétés quantiques.

Ludovico Tesser, doctorant en Physique Quantique Appliquée à l’Université de Technologie Chalmers, a expliqué : « À l’échelle nanométrique, les dispositifs peuvent présenter des propriétés entièrement nouvelles et souhaitables. Ces dispositifs, qui sont cent à dix mille fois plus petits qu’une cellule humaine, permettent de concevoir des processus de conversion d’énergie hautement efficaces.« 

Le défi du bruit à l’échelle nanométrique

Le bruit constitue un obstacle majeur dans l’avancement de la recherche en nanotechnologie. Ce bruit perturbateur est créé par les fluctuations de charge électrique et les effets thermiques au sein des dispositifs, entravant leurs performances précises et fiables. Malgré des efforts considérables, les chercheurs n’ont pas encore déterminé dans quelle mesure ce bruit peut être éliminé sans entraver la conversion d’énergie, et notre compréhension de ses mécanismes reste limitée.

Une équipe de recherche de l’Université Chalmers a réalisé une avancée significative dans ce domaine. Dans leur étude récente, publiée comme suggestion de l’éditeur dans Physical Review Letters, ils ont étudié les moteurs thermiques thermoélectriques à l’échelle nanométrique. Ces dispositifs spécialisés sont conçus pour contrôler et convertir la chaleur résiduelle en énergie électrique.

Le Professeur Splettstösser a ajouté : « Tous les appareils électroniques émettent de la chaleur et récemment, de nombreux efforts ont été déployés pour comprendre comment, au niveau nanométrique, cette chaleur peut être convertie en énergie utile. Les minuscules moteurs thermiques thermoélectriques tirent parti des propriétés quantiques et des effets non thermiques et, comme de minuscules centrales électriques, peuvent convertir la chaleur en énergie électrique plutôt que de la laisser se dissiper.« 

Un équilibre délicat entre bruit et puissance

Les moteurs thermiques thermoélectriques nanométriques fonctionnent mieux lorsqu’ils sont soumis à d’importantes différences de température. Ces variations de température rendent l’étude et la compréhension du bruit, déjà complexe, encore plus difficiles pour les chercheurs. L’équipe de Chalmers est parvenue toutefois à mettre en lumière un compromis crucial entre le bruit et la puissance dans les moteurs thermiques thermoélectriques.

Ludovico Tesser a conclu : « Nous pouvons prouver qu’il existe une contrainte fondamentale sur le bruit affectant directement les performances du ‘moteur’. Par exemple, nous pouvons non seulement constater que si l’on souhaite que le dispositif produise beaucoup de puissance, il faut tolérer des niveaux de bruit plus élevés, mais aussi déterminer la quantité exacte de bruit. Cela clarifie une relation de compromis, à savoir la quantité de bruit que l’on doit supporter pour extraire une quantité spécifique de puissance de ces moteurs nanométriques. Nous espérons que ces résultats pourront servir de ligne directrice dans ce domaine pour concevoir des dispositifs thermoélectriques nanométriques de haute précision. »

L’étude « Out-of-Equilibrium Fluctuation-Dissipation Bounds » a été publiée dans Physical Review Letters.