Nouvelle découverte : les oscillations qui transportent la chaleur dans la matière

Des chercheurs de l’EPFL ont identifié les excitations  qui transportent la chaleur dans les matériaux. De quoi prédire la distance que la chaleur parcourt et en combien de temps, avant de se dissiper. Leur modèle a été testé avec succès sur du graphène, et pourrait servir à fabriquer l’électronique de demain.

Comment la chaleur est-elle transportée dans un matériau ? Dans un métal, ce sont principalement les électrons qui s’en chargent. Il en va autrement pour les matériaux isolants. Depuis près de 100 ans, on considère que la chaleur s’y déplace grâce aux vibrations élémentaires des atomes : les phonons.

Or cette théorie, qui est une bonne approximation pour les matériaux ordinaires, fonctionne mal à de basses températures, et est totalement fausse dans le cas de matériaux en deux dimensions.

A l’EPFL, Andrea Cepellotti et Nicola Marzari, du Laboratoire de théorie et simulation des matériaux, ont montré résolu ce casse-tête. Ils ont montré que la chaleur n’était pas exactement transportée par les phonons, mais par des oscillations plus complexes, qu’ils ont baptisée relaxons.

Leur théorie fournit une réponse exacte au problème théorique de la propagation de la chaleur. Elle a été publiée dans Physical Review X, et en tant que highlight dans le journal Physics. Le modèle a par ailleurs  a été testé avec succès sur du graphène, donnant lieu à une autre publication, dans Proceedings of the National Academy of Sciences, en collaboration avec feu Ahmed Zewail, prix Nobel de chimie, ainsi qu’à un highlight dans Nature Reviews Materials.

Ils ont maintenant pu répondre à une question de longue date : combien de temps la chaleur met-elle pour se propager d’un point A à un point B dans un matériau, et quelle distance parcoure-t-elle avant de se dissiper totalement?

De quoi refroidir les circuits
Cette découverte, en plus d’apporter de nouvelles connaissances fondamentales, pourrait se révéler très intéressante pour fabriquer l’électronique de demain. Avec la miniaturisation continuelle des composants, les circuits surchauffent et il faut trouver un moyen de les refroidir. L’une des idées est d’utiliser des matériaux en deux dimensions à forte conductivité thermique, tels que le graphène, pour évacuer la chaleur. Ce qui sous-entend une maîtrise totale des mécanismes de la conduction thermique. « Nous avons déjà montré que nous pouvions prédire la propagation de la chaleur dans le graphène, mais nous pourrions appliquer notre équation sur n’importe quel matériau », assure Andrea Cepellotti.

Relaxons: qu’est-ce que c’est ?
Dans un matériau, on a estimé jusqu’ici que la chaleur se propageait sous forme de vagues. Ces vagues sont le résultat de vibrations collectives d’atomes, appelées phonons. Un peu comme si les atomes étaient reliés entre eux par des ressorts. Jusqu’ici, les chercheurs s’étaient intéressés à la façon dont les phonons se propageaient, un peu comme des vagues dans l’océan.

Seul problème, lorsque l’on refroidit un système, ou lorsque l’on s’intéresse à des matériaux en deux dimensions, chacune des vibrations ressent plus fortement la réponse collective des autres vibrations, à tel point que les vibrations deviennent toutes dépendantes l’une de l’autre.

«C’est un peu comme lorsque de nombreuses voitures voyagent dans un un tunnel. Chacune dépend du mouvement des autres pour avancer. Il est intéressante d’examiner les déviations qui émergent de ce déplacement en troupeau», note Nicola Marzari.

Lorsqu’ils bougent, les phonons entrent en collision, ils fusionnent ou encore se décomposent et forment de nouveaux phonons. Ces phénomènes sont tous intimement connectés les uns aux autres. La prouesse des chercheurs a été d’isoler chaque participant à ces mouvements.  «Nous avons pu identifier l’excitation qui transporte la chaleur, et savoir combien de temps elle survit. Cela signifie que nous pouvons prédire distance que la chaleur va parcourir avant que le matériau ne se refroidisse », explique Andrea Cepellotti, premier auteur de la publication.

 

L’explication plus théorique est que les chercheurs de l’EPFL ont montré que la conductivité thermique pouvait être exprimée comme une théorie cinétique d’un gaz de relaxons, – au lieu d’un gaz de phonons, comme on le pensait jusqu’ici- où les relaxons sont les eigenstates de la matrice s des phonons. Dans la plupart des matériaux, cette distinction ne serait pas nécessaire à température ambiante. Elle devient par contre primordiale pour les matériaux « stiff » tels que le diamant ou le carbure de bore, mais aussi pour les systèmes en deux (ou une ) dimension(s), comme le graphène ou les nanotubes de carbone.