La nature ondulatoire de la chaleur modifie sa propagation
Publié par Redbran le 05/10/2017 à 12:00
Source: CNRS-INSIS
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 microscopie permet de rendre visible des éléments invisibles à l'œil...) 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...) 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 autre. Il est généralement constitué d'un noyau...). 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 transporte de l'énergie sans transporter de matière.) 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...) 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...) 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 route, le canal ..). Par assimilation, des actions de...) de la chaleur à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) ambiante. Des chercheurs du Laboratory for integrated micro mechatronics systems (LIMMS) et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où les...) 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 (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...) 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 (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle...) 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 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 (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la quantité d'électricité.) 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 intérieurs et extérieurs, de...) 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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