13/06/2013 - Explorez comment la chaleur est dissipée dans les dispositifs nanotechnologies

Menéame

La fabrication de circuits composés d’atomes et de molécules individuelles - l’objectif ultime de la miniaturisation des circuits électriques - est une réalité récente. Cependant, jusqu'à présent, sa conception n’est réalisée que dans des laboratoires de recherche, car la méconnaissance de la manière dont la chaleur est dissimulée dans ces laboratoires fait obstacle à leur mise en œuvre dans les applications technologiques.

Dans un article publié cette semaine dans le magazine Nature, Juan Carlos Cuevas et Linda Angela Zotti, des chercheurs du Département de physique théorique de la matière condamnée Université autonome de Madrid (UAM) ont contribué à clarifier, avec des scientifiques de la Université du Michigan (États-Unis), l’énigme de la dissipation de la chaleur dans les circuits électriques de taille atomique.

Selon l’article, les chercheurs ont utilisé de nouveaux thermomètres à l’échelle nanométrique pour mesurer la quantité de chaleur dissipée dans une série de nanocircuits constitués d’atomes et de molécules individuelles.

Les scientifiques ont également pu identifier comment et où le phénomène se produit. "Avec le développement d’une théorie quantique de la conduite thermique - explique Cuevas - il a été possible d’établir que le lieu où la chaleur est dissipée est déterminé par la structure électronique des atomes et des molécules qui composent ces circuits."

Selon les chercheurs de l’UAM, " cette découverte permettra de comprendre comment la chaleur est dissipée dans de nombreux dispositifs de taille nanométrique qui doivent constituer la base de la future nanoélectronique. D’autre part - ils ajoutent - ce travail ouvre la porte à la possibilité d’utiliser des circuits atomiques ou moléculaires pour refroidir sur place des nano-organismes, à l’heure actuelle l’un des grands défis de la nanoscience."

L’effet Joule sur les nano-organismes

L’effet Joule - le chauffage d’un conducteur par le passage d’un courant électrique - est derrière le fonctionnement de nombreux dispositifs d’usage quotidien: sèche-cheveux, chauffe-eau, ampoules traditionnelles, etc., pour ne citer que quelques-uns.

Ce phénomène, découvert en 1841 par le physicien anglais James Prescott Joule - l’un des parents de la Thermodynamique - a son origine dans les collisions que les électrons subissent avec les ions que forment les conducteurs: lorsqu'une batterie est appliquée à un circuit, les électrons sont accélérés et cèdent leur énergie excessive aux ions, ce qui entraîne une augmentation de la température.

L’effet Joule, si bénéfique dans certains cas, a également des aspects très négatifs. Le réchauffement inhérent peut, par exemple, affecter la stabilité et l’efficacité de nombreux appareils électroniques. En fait, une grande partie des progrès récents en informatique est liée à un meilleur contrôle de la dissipation de la chaleur.

Alors que ce phénomène est parfaitement compris dans les circuits électriques ordinaires, où il est gouverné par des lois classiques, la situation est tout à fait différente lorsque les dimensions des circuits sont réduites jusqu'à l’échelle atomique. Dans ces cas, les électrons traversent la partie centrale du circuit sans échanger d’énergie avec les ions, de sorte que - jusqu'à présent - on ne savait pas exactement comment et où se produisait la dissipation de la chaleur.

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Référence bibliographique:
W. Lee, K. Kim, W. Jeong, L.A. Zotti, F. Pauly, J.C. Grottes, P. Reddy, Heat dissolution in atomic-scale junctions. Dans la presse à Nature (13 juin 2013).

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Université autonome de Madrid

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