Les appareils électroniques et leurs composants sont de plus en plus petits. Grâce à sa recherche doctorale au Département de physique appliquée de l'Université d'Aalto, Tomi Ruokola a examiné comment la chaleur générée par les composants électroniques pouvait être contrôlée et utilisée.

Il existe peu de recherches dans le domaine des flux de chaleur et de leur contrôle. L'étude de Ruokola aborde les questions fondamentales du domaine :comment se produit le transfert de chaleur d'un point à un autre et comment ce flux peut être contrôlé dans des circuits électroniques approchant l'échelle nanométrique ?

"Les flux de chaleur sont considérablement plus difficiles à contrôler que les courants électriques. La chaleur est de l'énergie pure, l'électricité d'autre part est des charges qui peuvent être mesurées avec précision. Les flux de chaleur ne sont pas directement accessibles de la même manière, qui rend la recherche expérimentale difficile, " explique Ruokola.

Ruokola a conçu deux dispositifs mésoscopiques – une taille entre macroscopique et microscopique – pour le transport de la chaleur. Ils sont basés sur des phénomènes monoélectroniques :le mouvement des électrons uniques à travers le système construit. Les électrons portent, en plus de leur charge électrique, une quantité arbitraire de chaleur.

"Plus l'échelle des appareils et des composants devient petite, les phénomènes de niveau plus quantique viennent au premier plan. Cela nécessite également de nouvelles idées et méthodes pour le transfert de chaleur."

En collaboration avec le chercheur Teemu Ojanen d'O.V. Laboratoire Lounasmaa de l'Université d'Aalto, Ruokola a développé une diode à un électron, un redresseur, ce qui permet à la chaleur de ne circuler que dans un sens et bloque le flux dans l'autre. L'idée vient du composant électronique bien connu d'une fonction similaire.

"Le flux entre différentes températures est normalement symétrique :le flux va d'un point plus chaud à un point plus froid, car les températures cherchent à s'équilibrer. Si nous voulons contrôler les flux, nous devons les manipuler pour qu'ils s'écoulent dans la direction souhaitée. Les diodes que nous présentons sont des idées pour arriver à un flux de chaleur fortement asymétrique."

"La diode que nous avons développée s'est remarquablement bien comportée par rapport à la littérature existante, " dit Ruokola.

Les applications révolutionnaires nécessitent des recherches expérimentales

Ruokola dit que la recherche de base au niveau nano des flux de chaleur est sévèrement freinée par un manque de configurations expérimentales.

"La motivation de mes recherches était avant tout le désir et le besoin de comprendre les phénomènes de base et le contrôle des transferts de chaleur et des flux."

Si les problèmes de la recherche fondamentale et de l'expérimentation devaient être résolus, les applications futures en nanoélectronique seraient remarquables.

Les ordinateurs pourraient fonctionner sur les courants de chaleur au lieu de l'électricité, et la grande quantité de chaleur perdue dans les fermes de serveurs pourrait être capturée et convertie déjà au niveau de la micropuce. Les puces plus petites qu'un nanomètre fonctionneraient également à température ambiante; l'utilisation de phénomènes de niveau quantique ne nécessiterait plus des températures proches du zéro absolu.

« Ceux-ci sont bien sûr hors de portée, au moins une décennie, ou des décennies, une façon."

Néanmoins, Ruokola est intrigué par l'utilisation de la chaleur résiduelle. Comme indiqué dans sa thèse, il a construit un moteur thermique thermoélectrique, qui revalorise l'énergie thermique perdue. Dans le moteur, les flux de charge des électrons faisant le travail et les flux de transfert de chaleur des photons peuvent être séparés les uns des autres.

"Dans les moteurs thermiques et les déchets d'énergie, le principal problème est généralement l'efficacité de l'utilisation de l'énergie. Cependant, quand il y a une abondance de chaleur perdue, le plus important n'est pas l'efficacité, mais plutôt la puissance maximale qui peut être extraite de la chaleur, ", fait remarquer Ruokola.

"Tant qu'il y a du froid et un point chaud dans la puce électronique, le flux de chaleur entre eux peut être réintroduit dans la puce en tant que travail utile."

Dans les diodes, le problème principal est le transfert de courants importants. Dans les systèmes monoélectroniques construits par Ruokola, les courants et les niveaux de puissance sont bien sûr faibles. Des systèmes similaires d'interaction élevée - et avec des courants importants - seraient très demandés.

"Ce sont les problèmes de base qui restent à résoudre dans le contrôle du flux de chaleur en nanoélectronique. Il y a encore beaucoup de choses à comprendre dans la théorie de base, ", croit Ruokola.