La chaleur ne se diffuse pas toujours de manière uniforme dans un matériau. Des chercheurs de l’université de Californie à Los Angeles ont observé des vibrations atomiques se propager selon des trajectoires dirigées, à température ambiante, dans un cristal d’arséniure de bore.
Ces vibrations, appelées phonons, transportent l’énergie thermique à travers les solides. Elles possèdent aussi des propriétés quantiques. Jusqu’ici, leur propagation focalisée avait surtout été observée à des températures extrêmement basses, proches des conditions cryogéniques.
Un amas noir dense se trouve au centre, avec d'étroites stries sombres en forme de rayons s'étendant vers l'extérieur dans de multiples directions sur un fond orange et jaune moucheté, illustrant le flux de chaleur directionnel à travers le matériau.
Image UCLA
L’équipe a étudié un cristal d’arséniure de bore porté à environ 300 kelvins, soit près de 27 °C. Dans ce matériau, la chaleur ne s’étalait pas simplement dans toutes les directions. Elle formait des motifs ressemblant à des rayons lumineux.
Cette organisation provient de la structure cristalline de l’arséniure de bore. Les vibrations suivent certaines directions privilégiées, imposées par l’arrangement régulier des atomes. Le phénomène est comparable, par certains aspects, à la façon dont une fibre optique guide la lumière.
Pour observer ce déplacement, les chercheurs ont développé une méthode capable de cartographier la température à l’échelle nanométrique. Dans des matériaux ordinaires, les cartes obtenues montraient une diffusion circulaire. Le cristal étudié produisait au contraire des figures allongées et orientées.
Cette découverte ne signifie pas encore que des appareils électroniques pourront immédiatement utiliser des « autoroutes » thermiques. Les expériences ont été réalisées sur un matériau cristallin particulier et dans des conditions contrôlées. Il faudra donc étudier sa fabrication et son intégration dans des composants.
La possibilité de guider la chaleur pourrait néanmoins intéresser l’électronique et les technologies quantiques. Les concepteurs pourraient chercher à diriger l’énergie vers des zones de refroidissement, au lieu d’attendre qu’elle se répartisse dans le composant.