Des chercheurs travaillant sur un projet de l'armée ont développé des commutateurs thermiques à l'échelle nanométrique qui sont essentiels à la gestion thermique des dispositifs à l'échelle nanométrique, réfrigération, stockage de données, calcul thermique et gestion thermique des bâtiments.

Le journal Nature Nanotechnologie a publié une étude financée par l'armée par des chercheurs de l'Université du Michigan qui a montré pour la première fois comment un commutateur thermique à l'échelle nanométrique peut être construit en utilisant des effets à l'échelle nanométrique qui se produisent lorsque la chaleur est transférée entre une membrane nanométrique chaude et froide via un rayonnement thermique.

Par rapport à la vaste gamme d'appareils, tels que les transistors et les diodes qui sont disponibles pour contrôler le flux d'électricité, il existe actuellement très peu de propositions pour contrôler le flux de chaleur, surtout à l'échelle nanométrique. Pour surmonter ce défi, les chercheurs ont exploré des phénomènes à l'échelle nanométrique qui pourraient permettre de nouveaux dispositifs thermiques fonctionnels.

"C'est passionnant de voir les investissements de l'armée dans la recherche fondamentale conduire à la découverte de nouveaux effets et à des démonstrations de preuve de concept de nouveaux dispositifs thermiques, " a déclaré le Dr Chakrapani Varanasi, un directeur de programme au bureau de recherche de l'armée, un élément du laboratoire de recherche de l'armée du commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine. "Ces découvertes peuvent avoir un impact important sur la gestion thermique pour l'informatique de prochaine génération pour l'armée."

La stratégie de modernisation du réseau de l'armée est conçue pour permettre à l'armée de se battre ce soir tout en recherchant activement des solutions de nouvelle génération pour garder une longueur d'avance sur des adversaires potentiels.

Une découverte 2018 de l'équipe de recherche, qui a mis en évidence comment la chaleur est transportée dans des directions préférentielles à partir de membranes nanométriques, dirigé le Dr Dakotah Thompson, l'auteur principal de l'étude 2018, pour commencer à explorer les applications potentielles.

"Après réflexion, il nous est devenu évident que nous pouvions potentiellement créer un interrupteur thermique en contrôlant les propriétés d'émission des nanomembranes en amenant un troisième objet à proximité immédiate de la nanomembrane, " a déclaré le Dr Edgar Meyhofer, professeur de génie mécanique à l'Université du Michigan.

Afin de tester cette hypothèse, Thompson a développé un schéma où un objet planaire peut être amené à proximité (microns) de deux membranes coplanaires qui échangeaient de la chaleur.

« Pour atteindre cet objectif ambitieux, J'ai nanofabriqué à la fois des dispositifs calorimétriques suspendus qui avaient une résolution calorimétrique sans précédent et un objet en forme de mesa planaire, et contrôlé la séparation entre eux à l'aide d'un nanopositionneur développé sur mesure, ", a déclaré Thompson.

À partir de ces expériences, les auteurs ont pu montrer que le transfert de chaleur entre les membranes nanométriques peut être activé et désactivé en modifiant simplement la séparation entre les membranes et la mesa planaire.

Afin de faire des prédictions numériques précises des observations expérimentales, Dr Linxiao Zhu, un post-doctorant au Michigan, et Thompson a effectué des calculs détaillés qui ont montré comment les observations peuvent être quantitativement liées à la façon dont la propagation de la lumière, qui est porteur de chaleur, d'une membrane à l'autre est entravée par la mesa plane qui peut soit absorber la lumière se propageant entre les membranes, soit la réfléchir loin des membranes.