Une étude publiée dans Avancées scientifiques rapports sur l'observation inattendue d'ondes thermiques dans le germanium, un matériau semi-conducteur, pour la première fois. Ce phénomène pourrait permettre une amélioration significative des performances de nos appareils électroniques dans un futur proche. L'étude est dirigée par des chercheurs de l'Institut des sciences des matériaux de Barcelone (ICMAB, CSIC) en collaboration avec des chercheurs de l'Universitat Autònoma de Barcelona, et l'Université de Cagliari.

Chaleur, comme nous le savons, provient de la vibration des atomes, et transferts par diffusion à température ambiante. Malheureusement, c'est assez difficile à contrôler, et conduit à des stratégies de manipulation simples et inefficaces. C'est pourquoi, par exemple, de grandes quantités de chaleur résiduelle peuvent s'accumuler dans nos ordinateurs, téléphones portables et, en général, la plupart des appareils électroniques.

Cependant, si la chaleur était transportée par les vagues, comme la lumière, il offrirait de nouvelles alternatives pour le contrôler, notamment à travers les propriétés uniques et intrinsèques des ondes.

Les ondes thermiques n'ont été observées à ce jour que dans peu de matériaux, comme l'hélium solide ou, plus récemment, en graphite. Maintenant, l'étude publiée dans Avancées scientifiques par des chercheurs de l'Institut des sciences des matériaux de Barcelone (ICMAB, CSIC) en collaboration avec des chercheurs de l'Universitat Autònoma de Barcelona, et l'Université de Cagliari, rapports sur l'observation des ondes thermiques sur germanium solide, un matériau semi-conducteur utilisé typiquement en électronique, semblable au silicium, et à température ambiante. "On ne s'attendait pas à rencontrer ces effets de vague, connu sous le nom de deuxième son, sur ce type de matériel, et dans ces conditions, " dit Sebastián Reparaz, Chercheur ICMAB au sein du Groupe Nanostructured Materials for Optoelectronics and Energy Harvesting (NANOPTO) et responsable de cette étude.

L'observation s'est produite lors de l'étude de la réponse thermique d'un échantillon de germanium sous l'effet de lasers, produisant une onde de chauffage oscillante à haute fréquence à sa surface. Les expériences ont montré que, contrairement à ce que l'on croyait jusqu'à présent, la chaleur ne s'est pas dissipée par diffusion, mais il s'est propagé dans le matériau par ondes thermiques.

Outre l'observation elle-même, dans l'étude, les chercheurs dévoilent l'approche pour débloquer l'observation des ondes thermiques, éventuellement dans n'importe quel système matériel.

Qu'est-ce qu'un deuxième son et comment peut-il être observé dans n'importe quel matériau

Observé pour la première fois dans les années 1960 sur de l'hélium solide, le transport thermique par les vagues, connu sous le nom de deuxième son, a été un sujet récurrent pour les chercheurs qui ont tenté à plusieurs reprises de démontrer son existence dans d'autres matériaux. Les récentes démonstrations réussies de ce phénomène sur le graphite ont redynamisé son étude expérimentale.

"Le deuxième son est le régime thermique où la chaleur peut se propager sous forme d'ondes thermiques, au lieu du régime diffusif fréquemment observé. Ce type de transport thermique ondulatoire présente de nombreux avantages offerts par les vagues, y compris l'interférence et la diffraction", déclare Sebastián Reparaz, chercheur à l'ICMAB.

"Les effets de vague peuvent être débloqués en pilotant le système dans un champ de température variant rapidement. En d'autres termes, un champ de température variant rapidement force la propagation de la chaleur dans le régime ondulatoire" explique Reparaz, et ajoute, "La conclusion intéressante de nos travaux est que ces effets ondulatoires pourraient être potentiellement observés par la plupart des matériaux à une fréquence de modulation suffisamment grande du champ de température. Et, ce qui est encore plus intéressant, son observation n'est pas limitée à certains matériaux spécifiques."

Applications du second son dans un futur proche

"Les applications possibles du second son sont illimitées", dit Sebastián Reparaz. La réalisation de ces applications, cependant, nécessitera une compréhension approfondie des moyens de débloquer ce régime de propagation thermique sur un matériau donné. Pouvoir contrôler la propagation de la chaleur grâce aux propriétés des ondes ouvre de nouvelles voies pour concevoir les prochaines générations de dispositifs thermiques, d'une manière similaire aux développements déjà établis pour la lumière. "Spécifiquement, le deuxième régime thermique sonore pourrait être utilisé pour repenser la façon dont nous traitons la chaleur perdue", il ajoute.

D'un point de vue théorique, « ces résultats permettent d'unifier le modèle théorique actuel, qui considéraient jusqu'à présent que les matériaux où ce type de comportement ondulatoire était observé (comme le graphite) étaient très différents des matériaux semi-conducteurs actuellement utilisés dans la fabrication de puces électroniques (comme le silicium et le germanium) » précise F. Xavier Álvarez, chercheur à l'UAB. "Maintenant, tous ces matériaux peuvent être décrits à l'aide des mêmes équations. Cette observation établit un nouveau cadre théorique qui peut permettre dans un avenir pas trop lointain une amélioration significative des performances de nos appareils électroniques, " ajoute lvarez.