Un algorithme pour façonner des propriétés thermiques à l'échelle nanométrique
Publié par Redbran le 02/04/2019 à 14:00
Source: CNRS INP

© CEMES (CNRS)
Une nouvelle approche numérique basée sur un algorithme évolutionniste permet la simulation, la conception et l'optimisation de surfaces nanostructurées capables de gérer des échanges thermiques à très petite échelle.

Les métasurfaces plasmoniques sont des surfaces structurées à l'échelle nanométrique qui permettent d'exploiter les propriétés de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...) exceptionnelles liées à ces structures métalliques (résonance plasmon). En jouant sur une multitude de nano-composants réfractifs ou diffractifs, il est possible de façonner l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle...) lumineuse pour une fonction donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.). La thermo-plasmonique transpose ce concept à la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) grâce à la conversion de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) lumineuse d'un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient...) en chaleur par effet Joule (L'effet Joule est la manifestation thermique de la résistance électrique. Il se produit lors du passage d'un courant électrique dans tous matériaux...) dans ces métasurfaces, ce qui permet d'engendrer des gradients locaux de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...). S'il est possible de simuler et de prédire la distribution de chaleur dans une structure simple ou dans un assemblage de quelques nanostructures, cela reste un défi dans le cas d'une métasurface impliquant un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de briques élémentaires. Envisager des fonctions complexes à ces métasurfaces requiert d'inverser le problème et de déduire la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures...) particulière de la métasurface à partir de la distribution de chaleur souhaitée. C'est la résolution de ce problème inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...) que propose dans ce travail une équipe de physiciens toulousains du Centre d'élaboration de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et d'études structurales (CEMES, CNRS).

L'approche nouvelle choisie combine la simulation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...) de propriétés optiques et thermiques de systèmes de forme arbitraire (formalisme de la fonction de Green dyadique) et un modèle d'optimisation évolutionniste. Dans un premier temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), une description quasi-analytique du système est obtenue, ce qui permet une compréhension intuitive des mécanismes optiques et thermiques, puis cette description est complétée par une procédure de discrétisation des éléments de la métasurface qui rend possible l'étude de géométries complexes. Elle a été appliquée à des métasurfaces plasmoniques composées de nano-rectangles d'or. A chaque étape de l'optimisation, l'algorithme génère un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) de configurations spatiales de la métasurface à partir des briques élémentaires définies au préalable (nano-rectangles d'or). Puis la distribution de chaleur est calculée pour chacune d'entre elles. Les arrangements restituant les comportements les plus proches des objectifs fixés sont sélectionnés, et réintroduits dans l'algorithme pour une étape supplémentaire d'optimisation. Cette approche itérative, inhérente au modèle évolutionniste, a par exemple convergé vers des géométries de métasurfaces optimisées pour le nano-transport d'énergie thermique (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation désordonnée de ses molécules et de ses atomes. Les transferts d'énergie thermique entre corps sont appelés transferts de chaleur et...), et a été capable d'engendrer des accroissements de température déportés, contrôlables à distance grâce à la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation...) et à la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en...) d'onde du laser excitateur, répondant ainsi aux fonctions spécifiques fixées au départ.

Ce travail révèle l'efficacité de la combinaison (Une combinaison peut être :) d'un algorithme évolutionniste et du formalisme de la fonction de Green dyadique appliqués au domaine de la thermo-plasmonique et des métasurfaces, et ouvre la voie au développement de composants thermo-plasmoniques planaires optimisés. Ces composants pourraient notamment trouver des applications dans les domaines de la microfluidique (La microfluidique est la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont au moins l'une des dimensions caractéristiques est de l'ordre du...) et la nano-manipulation, ou encore en nano-biologie.


(A) Schéma de principe de fonctionnement de l'algorithme évolutionniste. (B) (haut) Illustration d'un modèle physique d'optimisation de l'accroissement de température en sortie d'une chaine de 20 nano-rectangles en or. Les paramètres libres de l'optimisation sont la distance entre les rectangles et leur angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) relatif. (bas) Résultats de l'optimisation permettant de maximiser la température relative par rapport à la température au point (Graphie) de lancement par le laser. © CEMES (CNRS)


Référence publication
- Designing thermoplasmonic properties of metallic métasurfaces.
Ch. Girard, P. R. Wiecha, A. Cuche et E. Dujardin, Journal of Optics, le 20 juin 2018.
Lire l'article sur la base d'archives ouvertes arXiv.

Contacts chercheurs:
- Aurélien Cuche - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) au CEMES
- Christian Girard - Chercheur CNRS au CEMES
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