Quand la chaleur s'écoule comme un fluide

Dans certaines conditions, la chaleur peut se propager dans un matériau en se comportant comme un liquide : les phonons – les particules associées à la propagation des vibrations dans le réseau cristallin - s'écoulent comme un fluide dans un tuyau. Mais cet écoulement hydrodynamique des phonons était encore mal compris par la théorie, et difficile à confirmer expérimentalement. Publiée dans Nature Communications, une étude théorique et expérimentale réalisée par le Laboratory for Integrated Micro Mechatronics Systems (LIMMS, CNRS/Université de Tokyo) et l'Institute of industrial science de l'Université de Tokyo permet de mieux comprendre ce phénomène, et d'élucider les conditions dans lesquelles il se produit.

Les chercheurs ont étudié la propagation de chaleur dans du graphite, matériau déjà identifié comme pouvant donner lieu à un écoulement hydrodynamique des phonons. Plus précisément, ils ont utilisé du graphite purifié, qui ne contient que 0,02% de l'isotope carbone 13 – contre 1,1% dans le graphite naturel. En effet, le modèle théorique prévoit que l'écoulement hydrodynamique des phonons est détruit par leur interaction avec l'isotope C13. La géométrie du matériau joue également un rôle clé dans l'occurrence du phénomène. Pour confirmer expérimentalement les prédictions du modèle théorique, des micro rubans de graphite ont été fabriqués, d'une longueur de 30 microns et d'une largeur maximale de 5,5 microns. Des échantillons ont été réalisés en graphite naturel et en graphite purifié. En effectuant des mesures sur une large plage de température, de 10 K (-263°C) à 300 K (27°C), les chercheurs ont mis en évidence que la conductivité thermique du graphite purifié pouvait atteindre une valeur deux fois supérieure à celle du graphite naturel. Le régime d'écoulement hydrodynamique est observé dans les rubans jusqu’à 90 K.

Ces résultats pourraient conduire, à terme, à des dispositifs très efficaces d'évacuation de chaleur, par exemple pour refroidir les ''points chauds'' de circuits micro ou nanoélectroniques de plus en plus denses. À condition de trouver des matériaux dans lesquels l'écoulement hydrodynamique de la chaleur se produit à des températures compatibles avec les applications visées. De leur côté, les chercheurs poursuivent l'étude avec le graphite purifié, afin d'approfondir différents aspects de l'analogie avec l'écoulement d'un fluide, et s'intéressent à d'autres types de régimes particuliers de propagation des phonons dans les matériaux.

Références
Observation of phonon Poiseuille flow in isotopically purified graphite ribbons
Xin Huang, Yangyu Guo, Yunhui Wu, Satoru Masubuchi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Zhongwei Zhang, Sebastian Volz, Tomoki Machida & Masahiro Nomura.
Nature Communications, 19 avril 2023
https://doi.org/10.1038/s41467-023-37380-5
Article consultable sur la base d’archives ouvertes Arxiv