Dans une conclusion qui va à l'encontre d'une hypothèse commune en physique, des chercheurs de l'Université du Michigan ont utilisé une diode électroluminescente (DEL) avec des électrodes inversées afin de refroidir un autre appareil à quelques nanomètres seulement.

L'approche pourrait conduire à une nouvelle technologie de refroidissement à l'état solide pour les futurs microprocesseurs, qui aura tellement de transistors emballés dans un petit espace que les méthodes actuelles ne peuvent pas éliminer la chaleur assez rapidement.

"Nous avons démontré une deuxième méthode d'utilisation des photons pour refroidir des appareils, " dit Pramod Reddy, qui a codirigé les travaux avec Edgar Meyhofer, tous deux professeurs de génie mécanique.

Le premier, connu dans le domaine sous le nom de refroidissement laser, est basé sur les travaux fondateurs d'Arthur Ashkin, qui a partagé le prix Nobel de physique en 2018.

Les chercheurs ont plutôt exploité le potentiel chimique du rayonnement thermique, un concept plus couramment utilisé pour expliquer, par exemple, comment fonctionne une batterie.

"Même aujourd'hui, beaucoup supposent que le potentiel chimique du rayonnement est nul, " a déclaré Meyhofer. " Mais des travaux théoriques remontant aux années 1980 suggèrent que, dans certaines conditions, ce n'est pas le cas."

Le potentiel chimique dans une batterie, par exemple, entraîne un courant électrique lorsqu'il est placé dans un appareil. A l'intérieur de la batterie, les ions métalliques veulent passer de l'autre côté parce qu'ils peuvent se débarrasser d'une certaine énergie – l'énergie potentielle chimique – et nous utilisons cette énergie comme électricité. Un rayonnement électromagnétique, y compris la lumière visible et le rayonnement thermique infrarouge, n'a généralement pas ce type de potentiel.

"Généralement pour le rayonnement thermique, l'intensité ne dépend que de la température, mais on a en fait un potard supplémentaire pour contrôler ce rayonnement, qui rend possible le refroidissement que nous étudions, " dit Linxiao Zhu, un chercheur en génie mécanique et l'auteur principal de l'ouvrage.

Ce bouton est électrique. En théorie, l'inversion des connexions électriques positives et négatives sur une LED infrarouge ne l'empêchera pas seulement d'émettre de la lumière, mais supprimera en fait le rayonnement thermique qu'il devrait produire simplement parce qu'il est à température ambiante.

"La LED, avec cette astuce de polarisation inversée, se comporte comme s'il était à une température plus basse, " dit Reddy.

Cependant, mesurer ce refroidissement - et prouver que quelque chose d'intéressant s'est produit - est horriblement compliqué.

Pour obtenir suffisamment de lumière infrarouge pour passer d'un objet à la LED, les deux devraient être extrêmement proches l'un de l'autre – moins d'une seule longueur d'onde de lumière infrarouge. Ceci est nécessaire pour profiter des effets de "champ proche" ou de "couplage évanescent", qui permettent plus de photons infrarouges, ou des particules de lumière, à traverser de l'objet à refroidir dans la LED.

L'équipe de Reddy et Meyhofer avait une longueur d'avance car ils avaient déjà chauffé et refroidi des appareils à l'échelle nanométrique, les disposer de manière à ce qu'ils ne soient séparés que de quelques dizaines de nanomètres, soit moins d'un millième de la largeur d'un cheveu. A cette proximité, un photon qui n'aurait pas échappé à l'objet à refroidir peut passer dans la LED, presque comme si l'écart entre eux n'existait pas. Et l'équipe a eu accès à un laboratoire à vibrations ultra-faibles où les mesures d'objets séparés par des nanomètres deviennent possibles car les vibrations, tels que ceux des pas d'autres personnes dans le bâtiment, sont considérablement réduits.

Le groupe a prouvé le principe en construisant un minuscule calorimètre, qui est un appareil qui mesure les changements d'énergie, et le mettre à côté d'une minuscule LED de la taille d'un grain de riz. Ces deux-là émettaient et recevaient constamment des photons thermiques les uns des autres et ailleurs dans leur environnement.

"Tout objet à température ambiante émet de la lumière. Une caméra de vision nocturne capture essentiellement la lumière infrarouge provenant d'un corps chaud, " a déclaré Meyhofer.

Mais une fois que la LED est polarisée en inverse, il a commencé à agir comme un objet à très basse température, absorbant les photons du calorimètre. À la fois, l'espace empêche la chaleur de revenir dans le calorimètre par conduction, résultant en un effet rafraîchissant.

L'équipe a démontré un refroidissement de 6 watts par mètre carré. Théoriquement, cet effet pourrait produire un refroidissement équivalent à 1, 000 watts par mètre carré, ou sur la puissance du soleil à la surface de la Terre.

Cela pourrait s'avérer important pour les futurs smartphones et autres ordinateurs. Avec plus de puissance de calcul dans des appareils de plus en plus petits, l'élimination de la chaleur du microprocesseur commence à limiter la quantité d'énergie pouvant être comprimée dans un espace donné.

Avec les améliorations de l'efficacité et des taux de refroidissement de cette nouvelle approche, l'équipe envisage ce phénomène comme un moyen d'évacuer rapidement la chaleur des microprocesseurs des appareils. Il pourrait même résister aux abus subis par les smartphones, car des espaceurs à l'échelle nanométrique pourraient fournir la séparation entre le microprocesseur et la LED.

La recherche doit être publiée dans la revue La nature le 14 février 2019, titré, « Refroidissement photonique en champ proche grâce au contrôle du potentiel chimique des photons. »