De nouvelles découvertes ont résolu un obstacle de longue date dans la recherche pour comprendre les effets de la conduction thermique dans les matériaux solides, un problème critique dans de nombreuses applications, de la conversion d'énergie au refroidissement de l'électronique.

La découverte pourrait aider les efforts visant à améliorer une foule de technologies, y compris les dispositifs thermoélectriques, qui transforment la chaleur en électricité; les revêtements de barrière thermique tels que ceux utilisés pour protéger les aubes de turbines d'un échauffement extrême; dissipateurs thermiques pour le refroidissement de l'électronique; combustibles nucléaires; et la recherche sur le transfert de chaleur à l'état solide en général.

La recherche porte sur le rôle crucial des « phonons, " phénomènes de mécanique quantique qui décrivent comment les vibrations traversent la structure cristalline d'un matériau. Les phonons interagissent, parfois se combinant et se dédoublant en nouveaux phonons, changement de direction et de comportement.

Cette "diffusion" est fondamentale dans la façon dont un matériau conduit la chaleur. Jusqu'à maintenant, les chercheurs ont pu modéliser de manière réaliste uniquement les interactions de trois phonons. Dans les nouvelles découvertes, cependant, des chercheurs de l'Université Purdue et du Laboratoire national d'Oak Ridge ont montré comment modéliser avec précision les interactions de quatre phonons et leur effet sur le flux de chaleur.

"Être capable de prédire la diffusion à quatre phonons a été un défi de plusieurs décennies, " dit Xiulin Ruan, un professeur Purdue de génie mécanique.

Les interactions à quatre phonons ont longtemps été ignorées, en partie parce qu'ils étaient considérés comme négligeables et que les chercheurs ne savaient pas comment les modéliser.

"Maintenant, nous avons clairement montré l'importance de la diffusion à quatre phonons, " il a dit.

Les résultats ont été détaillés dans un article paru en ligne en octobre dans la revue Examen physique B . Il a été présenté comme un document de « communications rapides », car les conclusions sont particulièrement opportunes et pertinentes. L'article a été co-écrit par l'ancien doctorant de Purdue Tianli Feng, qui est maintenant chercheur postdoctoral à l'Université Vanderbilt et au Laboratoire national d'Oak Ridge; le chercheur d'Oak Ridge Lucas Lindsay; et Ruan.

Jusqu'à maintenant, simuler la diffusion à quatre phonons en a nécessité 10, 000 fois les ressources de calcul sous forme de diffusion à trois phonons, rendant impossible la réalisation de prédictions théoriques de qualité. Cependant, l'équipe Purdue a développé une nouvelle méthode pour réaliser les calculs théoriques et optimisé la simulation de la diffusion à quatre phonons, réduire les ressources de calcul nécessaires.

"C'est une nouvelle image physique, " dit Feng. " Le mécanisme de la diffusion à quatre phonons était déjà connu, mais personne ne savait comment faire les prédictions théoriques ni comment évaluer son importance, c'est ce que nous avons réalisé."

Pouvoir incorporer des données à quatre phonons dans les calculs aidera les chercheurs à développer de nouveaux matériaux. Les matériaux qui ont une conductivité thermique ultra-élevée sont idéaux pour les dissipateurs thermiques, tandis que ceux à faible conductivité thermique conviennent aux applications thermoélectriques et aux revêtements de barrière thermique.

Les nouveaux résultats démontrent que l'utilisation uniquement de la diffusion à trois phonons dans les calculs produit des résultats qui surestiment les performances de certains matériaux tout en sous-estimant les performances des autres.

"Le cadre rigoureux développé par l'équipe de recherche pour inclure la diffusion à quatre phonons est nouveau et d'une importance scientifique significative, " a déclaré Alan McGaughey, professeur de génie mécanique à l'Université Carnegie Mellon. « Leurs découvertes jettent un éclairage important sur les prédictions théoriques et les mesures expérimentales antérieures, et aidera à guider le développement de nouveaux matériaux pour un large éventail d'applications. Il convient de noter en particulier le potentiel de fixer des limites sur la façon dont la conductivité thermique peut être élevée ou faible dans une plage de températures. »

Les chercheurs développent des alternatives au diamant pour des applications telles que les dissipateurs thermiques pour le refroidissement de l'électronique. Une telle alternative potentielle, appelés arséniures de zinc-mélange de bore, a été montré dans les calculs théoriques pour rivaliser avec le diamant en conductivité thermique.

Cependant, de nouvelles découvertes appliquant la diffusion à quatre phonons montrent que les prédictions précédentes surestimaient le potentiel du matériau de plus de 50 % à température ambiante et encore plus à des températures plus élevées. Pendant ce temps, Il a été démontré que les prédictions théoriques précédentes sous-estiment le potentiel des matériaux à base de silicium pour les applications thermoélectriques à haute température.

"Ce que nous démontrons ici, c'est que la limite supérieure théorique n'est pas aussi élevée qu'on le pensait auparavant pour l'arséniure de bore-zinc, " Lindsay a dit. " Cependant, sa conductivité prévue est encore beaucoup plus élevée que la plupart des matériaux, et c'est toujours un système prometteur."

La recherche, qui a été entièrement théorique, peut expliquer l'écart antérieur entre les conductivités thermiques prédites et expérimentales du silicium à haute température. Il s'étendra pour inclure plus d'expériences en laboratoire.