Le champ électrique ajuste le transport de chaleur dans les solides

En influençant la manière dont les phonons se déplacent à travers un réseau cristallin, un champ électrique peut commencer à façonner à la fois la vitesse et la direction du transport de chaleur.

Des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge, en collaboration avec des scientifiques de l'université d'État de l'Ohio et d'Amphénol Corporation, ont démontré une méthode permettant de contrôler le flux de chaleur dans les matériaux solides à l'aide d'un champ électrique.Les résultats montrent que certaines céramiques intelligentes peuvent modifier la façon dont les vibrations transportant la chaleur se déplacent à travers un cristal, permettant ainsi un transport thermique électriquement réglable.

La capacité de réguler le flux de chaleur à l’intérieur d’un matériau pourrait avoir des implications pratiques pour les technologies où la gestion thermique est essentielle.La conduction thermique contrôlée électriquement peut permettre un refroidissement amélioré dans les systèmes électroniques, une conversion plus efficace de l'énergie à l'état solide et une meilleure régulation thermique dans les dispositifs à l'échelle des puces.Le contrôle directionnel du transport de chaleur pourrait également bénéficier aux applications dans lesquelles un excès de chaleur limite les performances du système.

L’approche fonctionne en modifiant la façon dont les vibrations atomiques se déplacent à travers le réseau cristallin.Lorsqu'un champ électrique est appliqué, les charges internes à l'intérieur de la céramique s'alignent dans la direction du champ.Cet alignement réduit la diffusion des phonons, les vibrations microscopiques responsables du transport de la chaleur à travers les solides.Avec moins de perturbations sur leur chemin, les vibrations peuvent voyager plus loin avant de dissiper l'énergie, ce qui entraîne une durée de vie plus longue des phonons et un transport de chaleur plus rapide.

Cet effet est observé dans une classe de matériaux connus sous le nom de céramiques ferroélectriques à base de relaxeurs.Lorsqu'ils sont soumis à un champ électrique, leurs dipôles internes s'alignent selon un processus appelé polarisation.Les mesures montrent que les phonons se déplaçant dans la direction du champ persistent plus longtemps que ceux se déplaçant perpendiculairement à celle-ci, augmentant la conductivité thermique dans la direction du champ jusqu'à près de trois fois celle observée à travers le cristal.Le comportement a été examiné au moyen d'expériences menées à la source de neutrons de spallation en utilisant la diffusion inélastique des neutrons pour observer à la fois la structure atomique et le mouvement dynamique au sein du matériau.

Puspa Upreti, chercheur postdoctoral au Oak Ridge National Laboratory, affirme que les travaux ouvrent la voie à de nouvelles possibilités de gestion de l'énergie thermique dans les matériaux avancés."Être capable de contrôler à la fois la vitesse et la manière dont les flux de chaleur pourraient conduire à des dispositifs gérant l'énergie thermique beaucoup plus efficacement."