Des ingénieurs de UCLA observent des ondes de chaleur quantiques à température ambiante

Des chercheurs de la Samueli School of Engineering de UCLA ont démontré pour la première fois que les phonons, des vibrations atomiques qui transportent la chaleur, peuvent se déplacer selon des trajectoires concentrées semblables à des rayons à température ambiante, un phénomène auparavant observé uniquement près du zéro absolu. Les conclusions, publiées le 22 juillet dans Nature Physics, pourraient repenser la façon dont les ingénieurs gèrent la chaleur dans l'électronique, le matériel d'IA et les dispositifs quantiques.newsroom.ucla+1

Focalisation des phonons dans l'arséniure de bore

L'étude, dirigée par Yongjie Hu, professeur de génie mécanique et aérospatial à UCLA Samueli, a montré que dans l'arséniure de bore, un semi-conducteur cristallin à haute conductivité thermique, la chaleur ne se propage pas de manière uniforme dans toutes les directions comme dans les matériaux conventionnels. Elle se déplace plutôt le long de voies guidées dictées par la structure cristalline du matériau, un peu comme les fibres optiques canalisent la lumière.samueli.ucla+1

Pour capturer cet effet, l'équipe a mis au point une technique de cartographie thermique à l'échelle nanométrique. Dans les matériaux ordinaires, ils ont observé des motifs circulaires de diffusion de la chaleur conformes à la conduction diffusive. Dans l'arséniure de bore, en revanche, ils ont enregistré des motifs de température en forme de rayons qui variaient de manière prévisible selon l'orientation du cristal, produisant des motifs de focalisation distincts à six, huit et quatre branches selon le plan cristallin examiné.newsroom.ucla

Le comportement quantique des phonons persiste sur des distances d'un micromètre et potentiellement jusqu'à plusieurs dizaines de micromètres, des distances pertinentes pour les dispositifs électroniques, photoniques et quantiques modernes.samueli.ucla+1

Implications pour les technologies futures

"C'est une observation fondamentale qui nous permet d'envisager la gestion thermique sous un nouvel angle", a déclaré Yongjie Hu. "En permettant à la chaleur d'être guidée, focalisée et redistribuée avec une précision nanométrique à température ambiante, cette découverte pose les bases de l'ingénierie thermique quantique."newsroom.ucla

Les observations précédentes de la focalisation des phonons nécessitaient des températures cryogéniques, généralement à quelques degrés seulement au-dessus du zéro absolu, où les phonons peuvent parcourir de longues distances sans se disperser. À température ambiante, on pensait que les phonons se dispersaient trop rapidement pour qu'un tel comportement cohérent apparaisse. La diffusion incroyablement faible des phonons dans l'arséniure de bore permet au transport ondulatoire de persister dans les conditions ambiantes.nature+1

Cette découverte s'appuie sur les travaux antérieurs de M. Hu, qui a pionné la caractérisation expérimentale de l'arséniure de bore en 2018. Le contrôle de la chaleur à l'échelle atomique pourrait aider à résoudre les goulots d'étranglement thermiques qui limitent les performances des puces d'IA, des dispositifs microélectroniques et des systèmes aérospatiaux, tout en ouvrant la voie à un ajustement précis des interactions entre phonons et électrons dans les technologies d'information et de détection quantiques.newsroom.ucla