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Des chercheurs sont parvenus à filmer des mouvements de chaleur au cœur de la matière

Températures dans un cristal semi-conducteur / Crédits : University of Minnesota, College of Science and Engineering

Pour la toute première fois, des chercheurs américains sont parvenus à filmer des mouvements de chaleur au cœur de la matière. Une découverte inédite qui pourrait aider les experts à produire des matériaux électroniques plus puissants, tout en réduisant l’utilisation de combustibles fossiles.

Les ingénieurs ont longtemps cherché un moyen de contrôler l’énergie thermique au niveau atomique afin que celle-ci puisse être recyclée et rendue plus efficace. Le contrôle des mouvements de chaleur, notamment, était jusqu’à présent un exercice impossible, le phénomène se jouant à des échelles et sur des laps de temps inaccessibles aux instruments classiques de la physique. Mais il y a quelques jours, des chercheurs de l’université du Minnesota (États-Unis) ont eu l’idée d’exploiter les performances d’un nouveau microscope électronique ultrarapide, capable de sonder la matière à l’échelle atomique et sur des durées de seulement quelques femtosecondes (un millionième de milliardième de seconde).

Dans leur expérience, les chercheurs américains ont eu recours à une brève impulsion émise par un laser femtoseconde pour exciter les électrons et ainsi chauffer très rapidement des cristaux semi-conducteurs comme du diséléniure de tungstène ou du germanium. Sur les captures vidéo, ralenties plus d’un milliard de fois, ils ont alors, et pour la toute première fois, pu observer les ondes résultant des déplacements de chaleur au cœur des cristaux. Celles-ci, semblables aux ondulations que créerait un caillou tombé dans un étang, ont été enregistrées à une vitesse de déplacement avoisinant les 6 nanomètres (0.000000006 mètre) par picoseconde (,000000000001 secondes), soit environ 21.600 kilomètres par heure !

« Avec des dimensions aussi petites et des vitesses aussi grandes, l’observation des déplacements de chaleur dans les matériaux est longtemps restée hors de portée », explique David Flinnigan, génie chimique à l’Université du Minnesota. « À partir de maintenant, nous allons pouvoir sonder dans les moindres détails les mouvements d’énergie thermique et déterminer par exemple, quelles sont les conséquences de la présence, au sein des matériaux, d’imperfections à l’échelle nanométrique », promet-il.

Tracer les oscillations de l’énergie, appelées phonons, à l’échelle nanométrique est en effet essentiel pour le développement d’une compréhension détaillée des fondamentaux du mouvement d’énergie thermique. Comprendre comment la chaleur se propage au cœur des matériaux pourrait notamment permettre d’augmenter de manière considérable l’efficacité de nombreuses technologies.

Source : Futurasciences