Une collaboration de physiciens et de chimistes dirigée par UA a découvert que la température se comporte de manière étrange et inattendue dans le graphène, un matériau qui suscite l'enthousiasme des scientifiques quant à son potentiel pour de nouveaux dispositifs technologiques allant de l'informatique à la médecine.

Imaginez que vous posez une poêle à frire sur la cuisinière et que vous augmentez la chaleur, seulement pour découvrir qu'à quelques endroits le beurre ne fond pas car une partie de la casserole reste à température ambiante. Ce qui semble être un scénario impossible dans la cuisine est exactement ce qui se passe dans le monde étrange de la physique quantique, des chercheurs de l'Université de l'Arizona ont découvert.

Les résultats, publié dans la revue scientifique Examen physique B , suggèrent que les effets quantiques jouent un rôle dans la façon dont la chaleur se déplace à travers un matériau, remettant en cause cette notion classique selon laquelle la chaleur se diffuse simplement d'un point chaud à un point froid jusqu'à ce que la température soit la même partout.

Le contrôle quantique de la température à l'échelle microscopique pourrait un jour permettre de nouvelles technologies, par exemple, en informatique, surveillance environnementale et médecine.

"Personne n'a vu ces effets quantiques dans la propagation de la température auparavant, " dit Charles Stafford, un professeur du département de physique de l'UA qui a co-écrit l'article. « La diffusion de la chaleur a toujours été considérée comme un processus que vous ne pouvez pas affecter. un motif de points chauds et froids dans un matériau serait éliminé par le flux inexorable de chaleur des points chauds vers les points froids adjacents.

Pas dans le monde étrange du graphène. Le matériau - une feuille d'atomes de carbone liés dans un hexagone, structure en fil de fer - est très prometteuse pour la microélectronique. Un seul atome mince et hautement conducteur, le graphène pourrait un jour remplacer les puces de silicium conventionnelles, rendre les appareils plus petits, plus rapide et plus économe en énergie. En plus des applications potentielles dans les circuits intégrés, cellules solaires, bio-dispositifs miniaturisés et capteurs de molécules de gaz, le matériau a attiré l'attention des physiciens pour ses propriétés uniques de conduction de l'électricité au niveau atomique.

"Nous avons découvert que les électrons porteurs de chaleur se propagent sous forme d'ondes quantiques bidimensionnelles, " Stafford a dit, "et les ondulations de ces vagues devraient conduire à des points chauds et froids qui persistent, voler à l'encontre de notre compréhension quotidienne de la température et du flux de chaleur."

Quoi de plus, "la taille de ces ondulations est contrôlable en graphène, afin que ce phénomène étrange soit observable avec des microscopes thermiques à balayage de pointe, offrant une vue unique sur la nature de la température et du transport de chaleur au niveau quantique, " écrivent les auteurs.

"En d'autres termes, ce n'est pas seulement un résultat conceptuel, mais vous devriez pouvoir observer ce phénomène avec les techniques de laboratoire actuelles, " a déclaré Stafford.

Après avoir prédit des types similaires d'ondes de température le long de molécules uniques - trop petites pour des applications technologiques - dans des simulations informatiques publiées précédemment, Stafford et son équipe fournissent maintenant la base pour observer le transfert de chaleur quantique avec la technologie disponible.

"Sous certaines conditions, on pourrait faire de ces longueurs d'onde 20 nanomètres ou plus, bien dans le domaine de la résolution actuelle de la microscopie thermique à balayage, " a déclaré Stafford.

Alors que les auteurs soulignent que leur article ne concerne pas les applications immédiates, la découverte de points chauds et froids coexistant dans la même feuille de graphène pourrait offrir des moyens d'utiliser le graphène comme conducteur de chaleur quantique pour refroidir les appareils électroniques.

"Au fur et à mesure que les appareils deviennent de plus en plus petits, il y a une grande poussée dans la technologie pour pouvoir gérer la température à l'échelle nanométrique, " Stafford a dit. " Par exemple, si nous voulons améliorer le matériel de traitement, nous devons comprendre le flux de chaleur à ce niveau, et cela nous oblige à amener notre compréhension du tableau noir de la physique théorique à être reconnue dans un cadre de laboratoire. »

Des mesures de température à résolution nanométrique sont technologiquement nécessaires, par exemple, caractériser les performances thermiques et les mécanismes de défaillance des dispositifs semi-conducteurs, ou pour étudier le transfert de biochaleur au niveau moléculaire pour le traitement du cancer ou des maladies cardiovasculaires.

« Par le transport de chaleur quantique, il devrait être possible d'obtenir un refroidissement ponctuel à l'échelle microscopique qui serait impossible à réaliser par un caloporteur classique, " a expliqué Stafford. " Dans une architecture informatique typique de puces bidimensionnelles, vous devez évacuer l'excès de chaleur le long des bords, et cela devient de plus en plus difficile à mesure que tout devient de plus en plus petit. Si au lieu d'avoir à refroidir toute la structure, vous pouviez refroidir sélectivement certains processus microscopiquement petits sur la puce, ce serait un grand avantage."

De plus, les effets quantiques peuvent offrir de nouvelles méthodes pour contourner les défis technologiques de longue date, suggérant que l'étude des effets thermiques "sensibles à la phase" pourrait ouvrir la porte à des dispositifs de transport de chaleur d'ingénierie quantique.