Se débarrasser de la chaleur est l’un des principaux défis de la technologie moderne. Peu importe que la technologie soit un processeur de serveur haut de gamme ou un processeur pathétiquement anémique dans un décodeur sans marque – quelqu’un a dû penser à la gestion thermique. L’un des enjeux centraux de la gestion thermique est la résistance thermique, la tendance d’un matériau à limiter le flux de chaleur. Plus un matériau est épais, plus le gradient de température requis pour obtenir la même quantité de refroidissement est important, car la résistance thermique augmente avec l’épaisseur.
Sauf quand ça ne marche pas. Si la chaleur est transportée par des phonons balistiques, la résistance thermique reste constante.
La chaleur est essentiellement de l’énergie. Dans un matériau solide, l’énergie est stockée à deux endroits : le mouvement des électrons et le mouvement des noyaux. Le mouvement des électrons peut mettre les noyaux en mouvement, tandis que les noyaux éjectent les électrons, de sorte que l’énergie va et vient entre les deux.
La nature même de la façon dont l’énergie est stockée implique également que l’énergie se déplace. Si un noyau bouge, il mettra naturellement ses voisins en mouvement, de sorte que l’énergie se déplace vers l’extérieur depuis l’endroit où elle a été initialement injectée. À condition qu’ils se trouvent dans un matériau électriquement conducteur, les électrons sont toujours en mouvement, ils transportent donc également de l’énergie d’un endroit à l’autre. Pour l’histoire d’aujourd’hui, les électrons ne sont pas importants.
Le transport d’énergie via le mouvement des noyaux prend la forme de vibrations avec des paquets d’énergie fixes, appelés phonons, analogues aux ondes lumineuses et aux photons. Les phonons sont très sensibles : ils sont facilement diffusés par toute imperfection dans la structure du matériau. Un atome pas tout à fait au bon endroit, ou une impureté comme le mauvais atome dans le matériau provoquera la dispersion du phonon.
Sur une distance de quelques micromètres, un phonon se diffusera plusieurs fois. Le résultat est que le flux d’énergie du chaud vers le froid est lent. La chaleur se diffuse comme la tache qui pousse sur le mur d’une chambre d’adolescent.
Lorsque les phonons parcourent de longues distances avec une diffusion minimale – peut-être uniquement des réflexions sur les surfaces d’un matériau – nous appelons cela le transport balistique. C’est exactement ce que les chercheurs ont observé dans les fils de phosphure de gallium. En fait, ce que les chercheurs montrent, c’est que le matériau permet un transport balistique sur des distances allant jusqu’à 15 µm, ce qui est un chemin étonnamment long pour les phonons. Je suppose que des fils plus longs sont possibles, mais les données se terminent à 15 µm.
Cependant, la longueur sur laquelle le transport balistique est possible dépend du diamètre du fil. Il y a une transition nette entre 40 nm et 50 nm. En dessous de 40nm, le transport balistique jusqu’à 15µm semble possible ; au dessus de 50nm, aucun transport balistique n’est observé.
pourquoi est-ce le cas? Les fils agissent comme des guides d’ondes pour les phonons, tout comme les câbles à fibres optiques agissent comme des guides d’ondes pour la lumière. Les phonons voyagent le long du fil en se reflétant sur ses parois. Si le mur est parfaitement lisse, alors les réflexions seront comme la lumière réfléchie par un miroir, et le phonon se déplacera comme s’il se déplaçait tout droit le long du fil avec une vitesse légèrement réduite.
Si le mur est rugueux, la réflexion des phonons peut être à n’importe quel angle – ils peuvent même finir par revenir dans la direction d’où ils viennent. Chaque phonon prendra un temps différent pour traverser le fil. Il s’agit d’une diffusion de chaleur typique.
Mais lisse et rugueux sont une question de perspective. Pour les phonons à basse énergie, une réflexion semblable à un miroir peut être obtenue à partir d’une surface plus rugueuse que pour un phonon à haute énergie. Pensez-y de cette façon : votre miroir de salle de bain est beaucoup plus lisse qu’une antenne parabolique, mais l’antenne parabolique fonctionne comme un miroir pour les ondes radio. Les ondes radio sont de faible énergie (et donc de longue longueur d’onde), de sorte que la surface de la parabole semble lisse, tandis que pour la lumière visible, la surface de la parabole ressemble à l’Himalaya.
Parce que les choses sont plus fluides pour les phonons à grande longueur d’onde et à faible énergie, ceux-ci peuvent se déplacer de manière balistique dans les fils, tandis que les phonons à haute énergie et à courte longueur d’onde se diffusent. Aux confins d’un fil étroit, la rugosité des parois piège les phonons de haute énergie ; ils sont diffusés avec une fréquence égale en direction de l’extrémité froide que de l’extrémité chaude du fil de sorte qu’en moyenne ils ne vont jamais nulle part.
À mesure que le diamètre du fil augmente, le nombre de façons dont un phonon peut être piégé diminue (ou plus précisément, le nombre de façons dont un phonon peut se déplacer le long du fil augmente), de sorte que les phonons à haute énergie commencent à circuler. Les phonons diffusants transportent plus d’énergie que les phonons balistiques, de sorte que le transport de chaleur est dominé par la diffusion au lieu de phonons balistiques plus rapides.
Ce qui est une mauvaise nouvelle pour ceux qui recherchent un nouveau matériau super excellent qui absorbe la chaleur. Dans des conditions de transport balistique, la conductivité thermique est élevée et la résistance thermique est élevée. La différence (par rapport au transport diffus) étant que la résistance thermique n’augmente pas lorsque la longueur du fil augmente. Cela signifie que, pour l’instant, vous êtes probablement mieux avec des fils courts et gras avec un transport lent que de longs fils fins avec un transport rapide.
Nano Letters, 2020, DOI : 10.1021/acs.nanolett.0c00320 (À propos des DOI)