Dans un développement qui ressemble à un tour de passe-passe en physique mais qui est en réalité une avancée fondamentale, des chercheurs de la Samueli School of Engineering de l'UCLA ont montré que la chaleur peut être canalisée à travers des matériaux solides en chemins concentrés en forme de rayons à température ambiante - un phénomène auparavant observé uniquement à des températures cryogéniques, où les choses se comportent bien et ne causent pas autant de problèmes.

Publiée dans Nature Physics, l'étude dirigée par Yongjie Hu, professeur de génie mécanique et aérospatial, a observé cette soi-disant focalisation de phonons dans l'arséniure de bore, un semi-conducteur cristallin qui a apparemment de meilleures manières thermiques que la plupart. Les phonons - les vibrations atomiques qui transportent la chaleur et présentent un comportement quantique - se dispersent généralement dans toutes les directions à température ambiante, répartissant la chaleur uniformément comme un hôte poli mais inefficace. Mais dans l'arséniure de bore, ils voyagent en chemins cohérents basés sur des ondes, suivant des routes dictées par la structure cristalline, un peu comme la lumière à travers une fibre optique. Cela signifie que les ingénieurs pourraient potentiellement diriger la chaleur le long de routes nanométriques planifiées au lieu d'attendre qu'elle se propage puis d'essayer de l'éliminer avec des ventilateurs et des dissipateurs thermiques.

L'équipe a développé une technique de cartographie de température à l'échelle nanométrique et a observé que, tandis que les matériaux conventionnels répandent la chaleur en motifs circulaires ennuyeux, l'arséniure de bore produisait des motifs distincts en forme de rayons alignés avec des directions cristallines spécifiques. Les motifs changeaient de manière prévisible avec l'orientation du cristal, donnant des motifs de focalisation à six, huit et quatre fois selon le plan cristallin. Ce comportement quantique persistait sur des distances d'un micromètre et pouvait s'étendre sur des dizaines de micromètres - amplement suffisant pour les dispositifs électroniques, photoniques et quantiques modernes.

"C'est une observation fondamentale qui nous permet de penser à la gestion thermique d'une nouvelle manière", a déclaré Hu, qui est également membre de l'Institut californien des nanosystèmes à l'UCLA. "En permettant de guider, focaliser et redistribuer la chaleur avec une précision nanométrique à température ambiante, cette découverte établit une base pour l'ingénierie thermique quantique." Parce que apparemment, nous avons maintenant l'ingénierie thermique quantique, et ça va devenir un truc.

La capacité de contrôler la chaleur au niveau atomique pourrait aider à résoudre les problèmes de surchauffe dans le matériel d'IA, la microélectronique, les systèmes aérospatiaux et d'autres appareils électroniques - car, comme quiconque a touché un ordinateur portable après un appel vidéo le sait, la surchauffe est un vrai tueur d'ambiance. Cela pourrait aussi permettre d'ajuster la façon dont les phonons interagissent avec les électrons, faisant potentiellement progresser les systèmes d'information quantique et les technologies de détection.

Les observations précédentes de focalisation des phonons étaient principalement limitées à des températures de quelques degrés au-dessus du zéro absolu, où les phonons peuvent parcourir de longues distances sans diffusion. À température ambiante, ils se dispersent normalement plus fréquemment et perdent leur cohérence, ce qui fait que la chaleur se propage par diffusion ordinaire. Mais l'arséniure de bore subit une diffusion de phonons exceptionnellement faible, permettant au transport par ondes de survivre à température ambiante. Les motifs de chaleur observés correspondaient étroitement aux calculs théoriques, confirmant que les phonons dans ce matériau parcourent des distances inhabituellement longues avant de se disperser - une raison clé pour laquelle le comportement ondulatoire persiste.

Ce travail s'appuie sur la découverte antérieure de l'arséniure de bore par Hu en 2018, et son groupe a depuis développé des interfaces thermiques haute performance et des dispositifs en nitrure de gallium utilisant l'arséniure de bore pour le refroidissement, soulignant le potentiel de ce matériau pour les semi-conducteurs de nouvelle génération. Les autres auteurs de l'étude incluent Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su et Huu Duy Nguyen, tous étudiants actuels ou anciens du laboratoire H de Hu. Le financement provenait du Département de l'énergie des États-Unis, de la National Science Foundation, du National Institute of General Medical Sciences et d'un don de Parag et Falguni Patel. Les ressources informatiques ont été fournies par l'Institut de recherche et d'éducation numériques de l'UCLA et par Bridges 2 au Pittsburgh Supercomputing Center.

Alors, la prochaine fois que votre ordinateur portable surchauffe, rappelez-vous que la science travaille dur pour que vous puissiez continuer à regarder des vidéos de chats sans brûler vos genoux.