Une équipe de physiciens du CU Boulder a résolu le mystère derrière un phénomène déroutant dans le domaine nano :pourquoi certaines sources de chaleur ultra-petites se refroidissent plus rapidement si vous les rapprochez les unes des autres. Les résultats, publié aujourd'hui dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ), pourrait un jour aider l'industrie technologique à concevoir des appareils électroniques plus rapides qui surchauffent moins.

"Souvent, la chaleur est une considération difficile dans la conception de l'électronique. Vous construisez un appareil puis découvrez qu'il chauffe plus vite que souhaité, " a déclaré Joshua Knobloch, co-auteur de l'étude, attaché de recherche postdoctoral au JILA, un institut de recherche conjoint entre CU Boulder et le National Institute of Standards and Technology (NIST). "Notre objectif est de comprendre la physique fondamentale impliquée afin que nous puissions concevoir de futurs dispositifs pour gérer efficacement le flux de chaleur."

La recherche a commencé par un constat inexpliqué :en 2015, des chercheurs dirigés par les physiciens Margaret Murnane et Henry Kapteyn du JILA expérimentaient des barres de métal plusieurs fois plus fines que la largeur d'un cheveu humain sur une base de silicium. Quand ils ont chauffé ces barres avec un laser, quelque chose d'étrange s'est produit.

"Ils se sont comportés de manière très contre-intuitive, ", a déclaré Knobloch. "Ces sources de chaleur à l'échelle nanométrique ne dissipent généralement pas la chaleur efficacement. Mais si vous les emballez ensemble, ils se refroidissent beaucoup plus vite."

Maintenant, les chercheurs savent pourquoi cela se produit.

Dans la nouvelle étude, ils ont utilisé des simulations informatiques pour suivre le passage de la chaleur de leurs barres de taille nanométrique. Ils ont découvert que lorsqu'ils ont rapproché les sources de chaleur, les vibrations d'énergie qu'ils produisaient ont commencé à rebondir les unes sur les autres, disperser la chaleur et refroidir les barres.

Les résultats du groupe mettent en évidence un défi majeur dans la conception de la prochaine génération de petits appareils, tels que les microprocesseurs ou les puces informatiques quantiques :lorsque vous vous rétrécissez à de très petites échelles, la chaleur ne se comporte pas toujours comme vous le pensez.

Atome par atome

La transmission de la chaleur dans les appareils est importante, ont ajouté les chercheurs. Même des défauts infimes dans la conception de l'électronique comme les puces informatiques peuvent permettre à la température de s'accumuler, ajouter de l'usure à un appareil. Alors que les entreprises technologiques s'efforcent de produire des appareils électroniques de plus en plus petits, ils devront accorder plus d'attention que jamais aux phonons, des vibrations d'atomes qui transportent de la chaleur dans les solides.

« Le flux de chaleur implique des processus très complexes, le rendant difficile à contrôler, " dit Knobloch. " Mais si nous pouvons comprendre comment les phonons se comportent à petite échelle, alors nous pouvons adapter leur transport, nous permettant de construire des appareils plus efficaces."

Pour faire juste cela, Murnane et Kapteyn et leur équipe de physiciens expérimentateurs se sont associés à un groupe de théoriciens dirigé par Mahmoud Hussein, professeur au département des sciences du génie aérospatial Ann et H.J. Smead. Son groupe est spécialisé dans la simulation, ou modelage, le mouvement des phonons.

"A l'échelle atomique, la nature même du transfert de chaleur apparaît sous un jour nouveau, " dit Hussein, qui a également un rendez-vous de courtoisie au Département de physique.

Les chercheurs, essentiellement, recréé leur expérience de plusieurs années auparavant, mais cette fois, entièrement sur ordinateur. Ils ont modélisé une série de barres de silicium, posés côte à côte comme les lattes d'une voie ferrée et les ont réchauffés.

Les simulations étaient si détaillées, Knobloch a dit, que l'équipe pouvait suivre le comportement de chaque atome du modèle, des millions en tout, du début à la fin.

"Nous poussions vraiment les limites de la mémoire du superordinateur Summit à CU Boulder, " il a dit.

Diriger la chaleur

La technique a payé. Les chercheurs ont trouvé, par exemple, que lorsqu'ils ont suffisamment espacé leurs barres de silicium, la chaleur avait tendance à s'échapper de ces matériaux de manière prévisible. L'énergie s'est échappée des barres et dans le matériau en dessous d'elles, se dissiper dans tous les sens.

Quand les barreaux se sont rapprochés, cependant, quelque chose d'autre est arrivé. Alors que la chaleur de ces sources se dispersait, cela a effectivement forcé cette énergie à s'écouler plus intensément loin des sources, comme une foule de personnes dans un stade se bousculant les unes contre les autres et sautant par la sortie. L'équipe a qualifié ce phénomène de "canalisation thermique directionnelle".

"Ce phénomène augmente le transport de la chaleur vers le bas dans le substrat et loin des sources de chaleur, " a déclaré Knobloch.

Les chercheurs soupçonnent que les ingénieurs pourraient un jour exploiter ce comportement inhabituel pour mieux comprendre comment la chaleur circule dans les petits appareils électroniques - en dirigeant cette énergie le long d'un chemin souhaité, au lieu de le laisser se déchaîner et se libérer.

Pour l'instant, les chercheurs voient dans la dernière étude ce que les scientifiques de différentes disciplines peuvent faire lorsqu'ils travaillent ensemble.

"Ce projet était une collaboration passionnante entre la science et l'ingénierie, où les méthodes avancées d'analyse informatique développées par le groupe de Mahmoud étaient essentielles pour comprendre le comportement des nouveaux matériaux découvert plus tôt par notre groupe à l'aide de nouvelles sources de lumière quantique ultraviolette extrême, " dit Murnane, également professeur de physique.

Les autres coauteurs de CU Boulder sur la nouvelle recherche incluent Hossein Honarvar, un chercheur postdoctoral en sciences de l'ingénieur aérospatial et JILA et Brendan McBennett, un étudiant diplômé à JILA. Anciens chercheurs de JILA Travis Frazer, Begoña Abad et Jorge Hernandez-Charpak ont ​​également contribué à l'étude.