Le flux de chaleur à l'échelle nanométrique joue un rôle crucial dans de nombreuses applications électroniques et optoélectroniques modernes, comme la gestion thermique, photodétection, thermoélectrique et communication de données. Les matériaux stratifiés bidimensionnels pourraient jouer un rôle dans bon nombre de ces applications. Les hétérostructures dites de van der Waals sont peut-être encore plus prometteuses, qui se composent de différents matériaux bidimensionnels en couches empilés les uns sur les autres. Ces piles peuvent être constituées de matériaux aux propriétés physiques radicalement différentes, tandis que les interfaces entre eux sont ultra-propres et atomiquement nettes.

Les scientifiques de l'European Graphene Flagship, dirigé par des chercheurs de l'ICFO, ont récemment observé la manière dont se produit le transport de chaleur dans les cheminées de van der Waals, qui sont constitués de graphène encapsulé par le matériau diélectrique bidimensionnel hexagonal BN (hBN).

Dans une étude publiée dans Nature Nanotechnologie intitulé " Transfert de chaleur hors du plan dans les empilements de van der Waals par couplage électron-hyperbolique phonon, " Chercheurs ICFO, en collaboration avec des chercheurs des Pays-Bas, Italie, Allemagne, et Royaume-Uni, ont identifié un effet très surprenant :plutôt que de rester dans la feuille de graphène, la chaleur s'écoule réellement vers les feuilles de hBN environnantes. Ce processus de transfert de chaleur hors plan se produit sur une échelle de temps ultrarapide de la picoseconde (un millionième de millionième de seconde), et est donc dominant sur les processus de transfert de chaleur concurrents (dans le plan).

Le processus de transfert de chaleur se produit à travers des électrons de graphène chauds (générés expérimentalement par la lumière incidente) qui se couplent aux phonons-polaritons hyperboliques dans les feuilles de hBN. Ces phonons-polaritons se propagent dans le hBN comme la lumière le fait dans une fibre optique, mais dans ce cas, pour les longueurs d'onde infrarouges et à l'échelle nanométrique. Il s'avère que ces modes hyperboliques exotiques sont très efficaces pour évacuer la chaleur.

Les résultats de ce travail pourraient avoir des implications de grande envergure pour de nombreuses applications basées sur le graphène encapsulé dans hBN, parfois appelée plate-forme de graphène de nouvelle génération, en raison de ses propriétés électriques supérieures. En particulier, il fournira une orientation à la conception de dispositifs optoélectroniques, où ces processus de flux de chaleur peuvent être pleinement exploités.