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Posté par Redbran le Jeudi 05/10/2017 à 12:00
La nature ondulatoire de la chaleur modifie sa propagation
Tout comme la lumière et le son, la chaleur possède une nature ondulatoire, dont l’influence réelle reste pourtant mal connue. Des chercheurs de l'unité mixte internationale LIMMS et de l’université de Tokyo ont pour la première fois utilisé sa nature ondulatoire pour modifier la vitesse (On distingue :) de propagation de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !). Ils ont pour cela employé des membranes de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) perforées de différentes manières, soumises à de très basses températures. Ces travaux sont publiés dans Science Advances.


© LIMMS
Images en microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La...) électronique d’une structure ordonnée (a) et désordonnée (b). c) Schéma de la structure globale. d) mesures expérimentales de la vitesse de dissipation thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes physiques, en...) en fonction du désordre.

À l’échelle du nanomètre, la chaleur est représentée par les vibrations des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...). Ces excitations collectives, appelées phonons, forment des paquets d’onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle...) modélisés comme des quasi-particules. Ils se propagent en ligne droite sur de petites distances, puis se diffusent lorsqu’ils rencontrent un obstacle. Leur longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) de cohérence, soit la distance sur laquelle l’onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) reste cohérente, est si faible que le comportement ondulatoire des phonons n’avait jamais eu d’effet observé sur le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la...) de la chaleur à température ambiante. Des chercheurs du Laboratory for integrated micro mechatronics systems (LIMMS) et de l’Université de Tokyo viennent cependant de démontrer que ces ondes ont bien un impact.

Ils se sont servis de membranes de silicium de 145 nanomètres d’épaisseur, perforées de réseaux de trous. Si les trous sont bien réguliers et alignés, des interférences doivent en théorie apparaître et ralentir la propagation de la chaleur. Les chercheurs ont refroidi le système en dessous de 10 kelvins, ce qui allonge la distance de cohérence des phonons et augmente leur longueur d’onde pour mieux interférer avec le réseau de trous. Cela atténue les phénomènes capables de perturber l’expérience. Les scientifiques ont alors constaté qu’effectivement, la chaleur se propageait plus rapidement au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des mammifères qui...) des réseaux désordonnés, avec une différence de vitesse qui atteint jusqu’à 20 % à 4 kelvins. Les interférences, et donc la nature ondulatoire des phonons, ont bien un impact fort sur le transport thermique. Ces travaux pourraient trouver des applications en nanotechnologies et en microélectronique: le manque de dissipation de la chaleur est en effet un obstacle majeur à la miniaturisation, tandis que sa conversion en énergie électrique permettrait d’alimenter de nombreux composants.

Référence publication:
Heat conduction tuning (Le terme tuning se rapporte à la personnalisation d'un véhicule routier (automobile, motocyclette, camionnette) de série. Il se caractérise en général, par l'installation d'accessoires...) by wave nature of phonons.
J. Maire (Le maire représente l'autorité municipale. Dans de nombreux cas, il est le détenteur du pouvoir exécutif au niveau d'une ville ou communal en France et au Québec. Dans un gouvernement à...), R. Anufriev, R. Yanagisawa, A. Ramiere, S. Volz, M. Nomur
Science Advances. 3, e1700027 (2017).
DOI: 10.1126/sciadv.1700027

Contact chercheur:
Jérémie Maire - LIMMS

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Source: CNRS-INSIS