Des réseaux de trous pour contrôler la propagation de la chaleur
Porteurs de la chaleur, les phonons se laissent bien moins facilement manipuler que leurs cousins les photons. Des chercheurs du LIMMS et de l’Université de Tokyo sont pourtant parvenus à les focaliser et donc à en maîtriser la propagation. Leur système fonctionne grâce à des réseaux de trous nanométriques sur des membranes de silicium. Ces travaux sont publiés dans Nature Communications.
Si la propagation de la chaleur est presque impossible à contrôler, les chercheurs savent depuis quelques années que les phonons, les quasi-particules qui la portent, commencent par se propager en ligne droite sur plusieurs centaines de nanomètres. Au-delà, les phonons vont subir des processus de diffusion qui modifient aléatoirement leur direction de propagation. La première phase, appelée transport balistique de la chaleur, n’avait pas trouvé d’application concrète, jusqu’aux tous derniers travaux de chercheurs du Laboratory for integrated micro mechatronics systems (CNRS/Université de Tokyo) et de l’Université de Tokyo.
Ils ont présenté un système sous la forme de membranes de silicium d’une centaine de nanomètres d’épaisseur, perforées de réseaux de trous alignés en arcs de cercle concentriques. Les phonons sont déviés lorsqu’ils interagissent avec le bord de ces trous et, statistiquement, ils tendent à passer entre ces obstacles, là où rien ne vient les perturber. Ils sont ainsi guidés et dirigés dans la membrane par les chemins définis entre les trous. Le phénomène a aussi bien été démontré par des mesures expérimentales que des simulations statistiques. La disposition des trous en réseau radial a même permis de focaliser la chaleur en un point précis, situé à plusieurs centaines de nanomètres de distance. La focalisation des phonons atteint un taux de près de 15 % à 4 Kelvins, puis diminue lorsque la température augmente pour arriver à 7 % à température ambiante. Les avancées dans les nanotechnologies devraient bientôt permettre d’améliorer ces performances jusqu’à des régimes d’applications pratiques. Il serait alors possible de diriger ou d’empêcher la diffusion de la chaleur sur des points extrêmement précis, ainsi que d’alimenter des nanoappareils énergétiquement autonomes.
Carte énergétique des phonons autour du point de focalisation de la chaleur obtenue par simulations Monte Carlo.
Références :
Heat guiding and focusing using ballistic phonon transport in phononic nanostructures
Roman Anufriev, Aymeric Ramiere, Jeremie Maire, and Masahiro Nomura
Nature Communications 8, 15505 (2017)
DOI :10.1038/ncomms15505
https://www.nature.com/articles/ncomms15505