La maîtrise de la radiation thermique, autrefois considérée comme un phénomène aléatoire, ouvre de nouvelles perspectives grâce aux travaux de chercheurs de l’Université de Vienne et de l’Université de Manchester. Ces découvertes promettent de révolutionner notre compréhension et notre contrôle de la chaleur émise par les matériaux.
La radiation thermique, généralement régie par les lois de la physique statistique, peut désormais être contrôlée. Une équipe de chercheurs, dirigée par le Prof. Stefan Rotter de l’Institut de Physique Théorique de TU Wien, en collaboration avec Coskun Kocabas de l’Université de Manchester, a démontré que la radiation thermique peut être manipulée de manière précise. Cette découverte a été publiée dans la revue Science.
Lorsqu’un morceau de métal est chauffé, sa couleur dépend uniquement de sa température. Ni le matériau, ni la géométrie, ni la structure de sa surface n’influencent cette couleur. Cependant, les chercheurs ont montré que, grâce à des méthodes innovantes liées à la topologie mathématique, la radiation thermique peut être émise uniquement à des points spécifiques.
Propriétés des matériaux et topologie
Les propriétés d’un matériau, telles que sa capacité à absorber la lumière ou à conduire l’électricité, dépendent de détails subtils comme la présence d’atomes spécifiques. Même de petites perturbations peuvent modifier le comportement d’un échantillon de matériau.
Selon Stefan Rotter, «en pratique, il est souhaitable d’avoir des propriétés matérielles aussi stables que possible, qui ne soient pas immédiatement détruites par de petits changements». C’est pourquoi une attention particulière est portée aux propriétés topologiques des matériaux.
La topologie, branche des mathématiques, traite des propriétés fondamentales des objets géométriques. Par exemple, un donut est topologiquement différent d’un petit pain car il possède un trou au centre. Cette stabilité topologique se retrouve également dans la recherche sur les matériaux, où certaines propriétés peuvent rester stables malgré des perturbations.
La côte des îles britanniques comme modèle de radiation thermique
Le projet conjoint a montré que le comportement de radiation des objets peut être décrit topologiquement. Cela permet de développer des revêtements spéciaux pour contrôler la radiation thermique de manière inédite.
Une combinaison de couches métalliques spécifiques crée des effets topologiques, permettant à la radiation thermique de s’échapper uniquement à des points précis. «Il est possible de restreindre la radiation thermique à des formes complètement arbitraires», explique Stefan Rotter. Les chercheurs de Manchester ont choisi une carte des îles britanniques pour illustrer ce concept.
En créant un revêtement multicouche spécial, la radiation thermique est émise uniquement le long de la côte, là où l’épaisseur de la couche supérieure diffère entre la terre et la mer. Ce phénomène permet de générer une radiation thermique uniquement aux points définis par la côte des îles britanniques.
Implications et ouvertures
Les effets topologiques ont déjà été reconnus dans d’autres contextes, comme en témoigne le Prix Nobel de Physique 2016. L’application de ces concepts à la radiation thermique représente une avancée significative. L’expérience présentée constitue une preuve de concept de ces techniques, ouvrant la voie à une multitude d’autres effets techniquement intéressants.
Les chercheurs sont convaincus que cette découverte pourrait mener à des applications innovantes dans divers domaines, allant de la gestion thermique des matériaux à la conception de dispositifs optiques avancés.
Légende illustration : Le rayonnement thermique ; Mais grâce à des astuces topologiques, il est possible de faire en sorte qu’une surface n’émette un rayonnement thermique qu’en certains points, ce qui permet de créer une image, par exemple une carte des îles britanniques.
Article : « M.S. Ergoktas et al, Localized thermal emission from topological interfaces », Science 384, 6700. https://arxiv.org/abs/2401.08316
