Des chercheurs de l'EPFL ont apporté un nouvel éclairage sur les mécanismes fondamentaux de dissipation de la chaleur dans le graphène et d'autres matériaux bidimensionnels. Ils ont montré que la chaleur peut se propager sous forme d'onde sur de très longues distances. Il s'agit d'informations clés pour l'ingénierie de l'électronique de demain.

Dans la course à la miniaturisation des composants électroniques, les chercheurs sont confrontés à un problème majeur :plus votre appareil est petit ou rapide, plus il est difficile de le refroidir. Une solution pour améliorer le refroidissement est d'utiliser des matériaux à très haute conductivité thermique, comme le graphène, pour dissiper rapidement la chaleur et ainsi refroidir les circuits.

À l'heure actuelle, cependant, les applications potentielles sont confrontées à un problème fondamental :comment la chaleur se propage-t-elle à l'intérieur de ces feuilles de matériaux qui n'ont pas plus de quelques atomes d'épaisseur ?

Dans une étude publiée dans Communication Nature , une équipe de chercheurs de l'EPFL a apporté un nouvel éclairage sur les mécanismes de conductivité thermique dans le graphène et d'autres matériaux bidimensionnels. Ils ont démontré que la chaleur se propage sous forme d'onde, tout comme le son dans l'air. C'était jusqu'à présent un phénomène très obscur observé dans quelques cas à des températures proches du zéro absolu. Leurs simulations fournissent un outil précieux pour les chercheurs étudiant le graphène, s'il faut refroidir les circuits à l'échelle nanométrique, ou remplacer le silicium dans l'électronique de demain.

Propagation quasi sans perte

S'il a été difficile jusqu'à présent de comprendre la propagation de la chaleur dans les matériaux bidimensionnels, c'est parce que ces feuilles se comportent de manière inattendue par rapport à leurs cousines tridimensionnelles. En réalité, ils sont capables de transférer de la chaleur avec des pertes extrêmement limitées, même à température ambiante.

Généralement, la chaleur se propage dans un matériau par la vibration des atomes. Ces vibrations sont appelées "phonons", et comme la chaleur se propage à travers un matériau tridimensionnel, , ces phonons continuent à entrer en collision les uns avec les autres, fusionner ensemble, ou fractionnement. Tous ces processus peuvent limiter la conductivité de la chaleur en cours de route. Uniquement dans des conditions extrêmes, lorsque la température s'approche du zéro absolu (-200 0C ou moins), il est possible d'observer un transfert de chaleur quasi-sans perte.

Une vague de chaleur quantique

La situation est très différente dans les matériaux bidimensionnels, comme le montrent les chercheurs de l'EPFL. Leurs travaux démontrent que la chaleur peut se propager sans pertes importantes en 2D même à température ambiante, grâce au phénomène de diffusion ondulatoire, appelé "second son". Dans ce cas, tous les phonons marchent ensemble sur de très longues distances. "Nos simulations, basé sur la physique des premiers principes, ont montré que des feuilles de matériaux atomiquement minces se comportent, même à température ambiante, de la même manière que les matériaux tridimensionnels à des températures extrêmement basses", explique Andrea Cepellotti, le premier auteur de l'étude. "On peut montrer que le transport thermique est décrit par des ondes, non seulement dans le graphène mais aussi dans d'autres matériaux qui n'ont pas encore été étudiés, " explique Cepellotti. " C'est une information extrêmement précieuse pour les ingénieurs, qui pourraient exploiter la conception de futurs composants électroniques en utilisant certaines de ces nouvelles propriétés de matériaux bidimensionnels. »