La recherche moderne n'a pas trouvé de solution simple, moyen peu coûteux de modifier la conductivité thermique d'un matériau à température ambiante.

Ce manque de contrôle a rendu difficile la création de nouvelles classes d'appareils qui utilisent des phonons - les agents de conductivité thermique - plutôt que des électrons ou des photons pour récolter de l'énergie ou transmettre des informations. Les phonons, des vibrations atomiques qui transportent l'énergie thermique des solides à des vitesses allant jusqu'à la vitesse du son, se sont avérés difficiles à exploiter.

Maintenant, en utilisant uniquement une pile 9 volts à température ambiante, une équipe dirigée par le chercheur de Sandia National Laboratories, Jon Ihlefeld, a modifié la conductivité thermique du matériau largement utilisé PZT (titanate de zirconate de plomb) jusqu'à 11% à des échelles de temps inférieures à la seconde. Ils l'ont fait sans recourir à des interventions chirurgicales coûteuses comme changer la composition du matériau ou forcer les transitions de phase vers d'autres états de la matière.

PZT, sous forme de céramique ou de film mince, est utilisé dans une large gamme d'appareils allant des disques durs d'ordinateur, étincelles à bouton-poussoir pour barbecues, transpondeurs de laissez-passer de vitesse aux postes de péage des autoroutes et de nombreuses conceptions microélectromécaniques.

« Nous pouvons modifier la conductivité thermique du PZT sur une large plage de températures, plutôt que seulement aux températures cryogéniques atteintes par d'autres groupes de recherche, " a déclaré Ihlefeld. " Et nous pouvons le faire de manière réversible :lorsque nous libérons notre tension, la conductivité thermique revient à sa valeur d'origine."

Le travail a été effectué sur des matériaux avec des interfaces internes rapprochées, appelées parois de domaine, indisponibles dans les décennies précédentes. L'espacement réduit permet un meilleur contrôle du passage des phonons.

"Nous avons montré que nous pouvons préparer des matériaux cristallins avec des interfaces qui peuvent être modifiées par un champ électrique. Parce que ces interfaces diffusent des phonons, " dit Ihlefeld, « nous pouvons modifier activement la conductivité thermique d'un matériau en modifiant simplement sa concentration. Nous pensons que ce travail révolutionnaire fera progresser le domaine de la phononique. »

Les chercheurs, soutenu par le bureau de recherche et développement dirigé par le laboratoire de Sandia, le Bureau de la recherche scientifique de l'armée de l'air, et la Fondation nationale des sciences, ont utilisé un microscope électronique à balayage et un microscope à force atomique pour observer comment les parois de domaine des sous-sections du matériau ont changé de longueur et de forme sous l'influence d'une tension électrique. C'est ce changement qui a modifié de manière contrôlable le transport des phonons dans le matériau.

"La vraie réussite de notre travail, " dit Ihlefeld, « est que nous avons démontré un moyen de contrôler la quantité de chaleur traversant un matériau à température ambiante en appliquant simplement une tension à ses bornes. Nous avons montré que nous pouvons réguler activement la conduction de la chaleur (les phonons) à travers le matériau. "

Ihlefeld souligne que le contrôle actif du transport des électrons et des photons a conduit à des technologies qui sont aujourd'hui considérées comme allant de soi en informatique, communications mondiales et autres domaines.

"Avant que la capacité de contrôler ces particules et ces ondes n'existe, il était probablement même difficile de rêver de technologies impliquant des ordinateurs électroniques et des lasers. Et avant notre démonstration d'un état solide, vite, la température ambiante signifie pour modifier la conductivité thermique, des moyens analogues pour contrôler le transport des phonons n'ont pas existé. Nous pensons que notre résultat permettra de nouvelles technologies où le contrôle des phonons est nécessaire, " il a dit.