(Phys.org)—Illustrant la manière inhabituelle dont les choses fonctionnent à l'échelle nanométrique, les scientifiques ont conçu un nouveau système nanoélectromécanique (NEMS) qui produit un mouvement mécanique en raison des interactions entre les électrons, mais contrairement à des systèmes similaires, ce système ne nécessite aucun courant électrique. Au lieu, les interactions électron-électron couplent deux réservoirs d'électrons de températures différentes, qui génère entre eux un flux de chaleur qui fait vibrer un nanotube de carbone en suspension.

Les chercheurs, A. Vikström et coauteurs de l'Université de technologie Chalmers de Göteborg, Suède, et l'Institut B. Verkin de physique et d'ingénierie des basses températures de l'Académie nationale des sciences d'Ukraine à Kharkov, Ukraine, ont publié un article sur le dispositif NEMS dans un récent numéro de Lettres d'examen physique .

« Les dispositifs microscopiques qui combinent l'électronique et la mécanique - les MEMS (systèmes microélectromécaniques) - sont omniprésents dans le monde moderne, " Vikström a dit Phys.org . "Les capteurs à l'intérieur de nos smartphones qui déterminent l'accélération, orientation, etc., sont de bons exemples. À mesure que les appareils électroniques deviennent plus petits, des efforts sont actuellement déployés pour remplacer ces structures microscopiques par des structures nanoscopiques, les NEMS. Notre recherche appartient à cette catégorie; nous proposons, maquette, et étudier de nouveaux appareils NEMS. Le moteur thermique NEMS que nous avons proposé est spécial en ce qu'il convertit un flux de chaleur en mouvement mécanique sans nécessiter ni générer de courant électrique."

Bien qu'il y ait eu d'autres propositions dans lesquelles les phénomènes à électron unique provoquent des vibrations mécaniques dans les dispositifs NEMS, ces mécanismes nécessitent généralement un courant électrique. Si ce courant est bloqué, alors ces mécanismes ne fonctionnent plus.

Le nouveau mécanisme proposé diffère en ce qu'il bloque intentionnellement tout courant électrique. Le système se compose d'un nanotube de carbone suspendu entre deux électrodes, avec la paire de conducteurs agissant comme un réservoir d'électrons. Une électrode de pointe au-dessus du nanotube agit comme un deuxième réservoir, contenant des électrons de spin opposé aux électrons du premier réservoir. Les électrons peuvent passer librement de leurs réservoirs au nanotube et inversement. Mais parce que les électrons de différents réservoirs ont des spins opposés, ils ne peuvent pas voyager vers le réservoir opposé, et donc il n'y a pas de transfert de charge.

Les choses commencent à devenir intéressantes lorsque les réservoirs d'électrons ont des températures différentes. Ensuite, lorsque les électrons froids d'un réservoir et les électrons chauds de l'autre réservoir tunnel vers le nanotube, ils interagissent et la chaleur est transférée des électrons chauds aux électrons froids. Lorsque les électrons froids retournent à leur réservoir froid, ils transportent de l'énergie supplémentaire, tandis que les électrons chauds retournent dans leur réservoir chaud avec moins d'énergie.

Si le réservoir de pointe est plus chaud que le réservoir d'électrode, alors le flux de chaleur résultant va dévier légèrement le nanotube en suspension vers ce réservoir. En rapprochant le nanotube et le réservoir de pointe, cette déviation augmente le taux d'effet tunnel entre eux. Le tunneling accru produit un mécanisme de rétroaction, mais avec une réponse tardive, faisant vibrer le nanotube. Finalement, l'amplitude de vibration se stabilise puisque l'efficacité de pompage diminue avec l'amplitude. En ajustant les températures des réservoirs, les chercheurs ont montré que la direction et la force du mécanisme de rétroaction peuvent être contrôlées, et les vibrations peuvent être pompées ou amorties.

Étant donné que le système utilise le flux de chaleur pour générer un mouvement mécanique, il agit effectivement comme un moteur thermique à l'échelle nanométrique. L'efficacité du moteur augmente à mesure que la différence de température augmente, et les chercheurs estiment que l'efficacité maximale est de quelques pour cent, limité par des facteurs géométriques plutôt que par la différence de température. Les chercheurs s'attendent à ce que le système puisse avoir une variété d'utilisations.

"Si vous considérez le concept général d'un moteur thermique et l'imaginez dans le contexte d'un circuit électronique, il est facile d'imaginer les avantages, " a déclaré Vikström. " La chaleur est toujours présente dans les circuits électriques en tant que sous-produit. Une telle chaleur n'est généralement qu'un gaspillage d'énergie, mais si vous pouviez l'exploiter, dire, alimenter d'autres appareils NEMS intégrés, vous auriez un système plus économe en énergie.

Les chercheurs expliquent que la conception proposée pourrait être réalisée expérimentalement en utilisant des techniques existantes. Ils suggèrent que les vibrations pourraient être détectées en appliquant un champ magnétique perpendiculaire au mouvement du nanotube, ce qui ferait qu'une charge sur le nanotube subirait une force qui alterne avec la déviation. Le courant alternatif qu'il générerait pourrait alors être mesuré, mettant en évidence les vibrations du nanotube.

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