En physique, la loi de Planck décrit la quantité de chaleur qui peut être transférée entre deux objets lorsque la taille de l'espace entre les objets est supérieure à la longueur d'onde thermique, qui est d'environ 10 micromètres à température ambiante. Des recherches antérieures menées par Sheng Shen, professeur de génie mécanique, ont révélé que la loi de Planck peut être enfreinte à l'échelle nanométrique :lorsque les objets sont plus rapprochés, l'émission d'énergie dépasse les attentes.

Aujourd'hui, après des années d'essais et d'erreurs, le laboratoire de Shen a fabriqué un instrument avancé pour collecter la première mesure thermique en champ proche activée par un nanodispositif. Leurs découvertes révèlent des connaissances entièrement nouvelles sur la physique du transport d'énergie au sein des nanodispositifs, une pierre angulaire des applications des nanodispositifs pour la conversion et la récupération d'énergie.

"Nous voulions repousser les limites", a déclaré Sheng Shen, professeur de génie mécanique. "Pouvons-nous réduire à la fois l'espace ET l'objet pour mieux comprendre le transfert de chaleur à l'échelle nanométrique ?"

Pour explorer cela, Xiao Luo, Ph.D. Candidat en génie mécanique, a construit sur mesure une nouvelle plate-forme de nanodispositifs avec thermométrie de chauffage suspendue pour rapporter la première mesure du rayonnement thermique en champ proche entre deux structures sub-longueur d'onde.

"J'ai surmonté de nombreuses difficultés de fabrication, notamment la contamination, les appareils cassés et les membranes collées ensemble", a déclaré Luo. "L'idée est que deux minuscules membranes soient parfaitement alignées l'une avec l'autre sans interférence de tout autre objet qui pourrait également transférer de la chaleur."

Luo a utilisé une gravure chimique pour suspendre les deux membranes, l'une dotée d'un capteur à long faisceau pour surveiller l'absorption de chaleur, en retirant la majeure partie du substrat. Il a ensuite mesuré le rayonnement thermique entre les appareils à diverses distances d'espacement allant d'environ 150 nm à 750 nm.

Par rapport au rayonnement théorique du corps noir, l'équipe a démontré une multiplication par 20 du transfert de chaleur entre deux surfaces sub-longueur d'onde avec un espace de séparation de 150 nm.

"Ce qui est surprenant, c'est que toute l'histoire ne tourne pas autour de la taille de l'écart comme nous le pensions auparavant", a déclaré Shen. "Lorsque nous avons rendu l'objet plus petit que la longueur d'onde, le rayonnement thermique n'a pas été amélioré autant que prévu sur la base de la théorie pour deux grands objets. Les chercheurs doivent analyser à la fois la structure et la physique sous-jacente pour comprendre ce phénomène."

Luo et son équipe ont validé leurs résultats à l'aide d'une simulation informatique.

Shen estime qu'il faudra encore 10 à 20 ans avant que les consommateurs voient un produit tangible développé avec cette physique fondamentale à l'esprit, mais il est confiant dans sa valeur pour l'ingénierie thermique et la photonique.

Le travail est publié dans la revue Nano Letters .