Sur l’autoroute du transfert de chaleur, l’énergie thermique est déplacée au moyen de particules quantiques appelées phonons. Mais à l’échelle nanométrique des semi-conducteurs les plus avancés d’aujourd’hui, ces phonons n’évacuent pas suffisamment de chaleur. C'est pourquoi les chercheurs de l'Université Purdue s'efforcent d'ouvrir une nouvelle voie à l'échelle nanométrique sur l'autoroute du transfert de chaleur en utilisant des quasiparticules hybrides appelées « polaritons ».

Thomas Beechem adore le transfert de chaleur. Il en parle haut et fort, comme un prédicateur lors d'un réveil sous une grande tente.

"Nous avons plusieurs façons de décrire l'énergie", a déclaré Beechem, professeur agrégé de génie mécanique. « Lorsque nous parlons de lumière, nous la décrivons en termes de particules appelées « photons ». La chaleur transporte également de l'énergie de manière prévisible, et nous décrivons ces vagues d'énergie comme des « phonons ». Mais parfois, selon le matériau, les photons et les phonons se réunissent et forment quelque chose de nouveau appelé « polariton ». Il transporte l'énergie à sa manière, distincte des photons ou des phonons."

Comme les photons et les phonons, les polaritons ne sont pas des particules physiques que vous pouvez voir ou capturer. Il s'agit plutôt de façons de décrire l'échange d'énergie comme s'il s'agissait de particules.

Toujours flou ? Que diriez-vous d’une autre analogie. "Les phonons sont comme des véhicules à combustion interne et les photons sont comme des véhicules électriques", a déclaré Beechem. "Les Polaritons sont une Toyota Prius. Ils sont un hybride de lumière et de chaleur et conservent certaines propriétés des deux. Mais ils ont leur propre particularité."

Les polaritons ont été utilisés dans des applications optiques, du vitrail aux tests de santé à domicile. Mais leur capacité à déplacer la chaleur a été largement ignorée, car leur impact ne devient significatif que lorsque la taille des matériaux devient très petite. "Nous savons que les phonons effectuent la majorité du travail de transfert de chaleur", a déclaré Jacob Minyard, titulaire d'un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Beechem.

"L'effet des polaritons n'est observable qu'à l'échelle nanométrique. Mais nous n'avons jamais eu besoin d'aborder le transfert de chaleur à ce niveau jusqu'à présent, à cause des semi-conducteurs."

"Les semi-conducteurs sont devenus incroyablement petits et complexes", a-t-il poursuivi. "Les personnes qui conçoivent et fabriquent ces puces découvrent que les phonons ne dispersent pas efficacement la chaleur à ces très petites échelles. Notre article démontre qu'à ces échelles de longueur, les polaritons peuvent contribuer à une plus grande part de conductivité thermique."

Leurs recherches sur les polaritons ont été sélectionnées comme article vedette dans le Journal of Applied Physics. .

"Nous, dans la communauté du transfert de chaleur, avons décrit l'effet des polaritons de manière très spécifique aux matériaux", a déclaré Beechem. "Quelqu'un l'observera dans tel matériau ou à cette interface. Tout est très disparate. L'article de Jacob a établi que ce n'est pas une chose aléatoire. Les polaritons commencent à dominer le transfert de chaleur sur toute surface inférieure à 10 nanomètres. C'est deux fois plus grand. comme les transistors sur un iPhone 15."

Maintenant, Beechem est vraiment excité. "Nous avons essentiellement ouvert toute une voie supplémentaire sur l'autoroute. Et plus les échelles sont petites, plus cette voie supplémentaire devient importante. À mesure que les semi-conducteurs continuent de diminuer, nous devons réfléchir à la conception du flux de circulation pour tirer parti des deux voies :phonons et polaritons."

L’article de Minyard ne fait qu’effleurer la façon dont cela peut se produire dans la pratique. La complexité des semi-conducteurs signifie qu'il existe de nombreuses opportunités pour tirer parti de conceptions respectueuses des polaritons. "De nombreux matériaux sont impliqués dans la fabrication des puces, du silicium lui-même aux diélectriques et aux métaux", a déclaré Minyard. "La voie à suivre pour nos recherches consiste à comprendre comment ces matériaux peuvent être utilisés pour conduire la chaleur plus efficacement, en reconnaissant que les polaritons offrent une toute nouvelle voie pour déplacer l'énergie."

Conscients de cela, Beechem et Minyard souhaitent montrer aux fabricants de puces comment intégrer ces principes de transfert de chaleur à l'échelle nanométrique basés sur le polariton directement dans la conception physique de la puce, depuis les matériaux physiques impliqués jusqu'à la forme et l'épaisseur des couches.

Bien que ce travail soit désormais théorique, l'expérimentation physique se profile à l'horizon. C'est pourquoi Beechem et Minyard sont heureux d'être à Purdue.

"La communauté du transfert de chaleur ici à Purdue est si robuste", a déclaré Beechem. "Nous pouvons littéralement monter à l'étage et parler à Xianfan Xu, qui a eu l'une des premières réalisations expérimentales de cet effet. Ensuite, nous pouvons nous rendre au Flex Lab et interroger Xiulin Ruan sur son travail de pionnier dans la diffusion des phonons. Et nous avons les installations ici au Birck Nanotechnology Center pour réaliser des expériences à l'échelle nanométrique et utiliser des outils de mesure uniques en leur genre pour confirmer nos découvertes. C'est vraiment le rêve d'un chercheur."

Plus d'informations : Jacob Minyard et al, Caractéristiques des matériaux régissant la conductance thermique des phonons-polaritons dans le plan, Journal of Applied Physics (2023). DOI :10.1063/5.0173917

Informations sur le journal : Journal de physique appliquée

Fourni par l'Université Purdue