Prix de la Fondation Dimitris N. Chorafas 2020 – Michele Simoncelli
Thermal transport beyond Fourier, and beyond Boltzmann
Directeur de thèse : Prof. N. Marzari
Pour la généralisation à la mécanique quantique de l'équation de transport de Peierls-Boltzmann, fournissant une théorie unifiée du transport thermique applicable à tout matériau cristallin, désordonné ou vitreux.
Les mécanismes de conduction de la chaleur dans les cristaux et dans les verres sont fondamentalement différents: la périodicité des cristaux permet l'excitation d'ondes vibrationnelles qui se propagent et transportent la chaleur, comme l'a décrit Peierls en 1929, tandis que dans les verres l’absence de périodicité invalide la théorie de Peierls, et la chaleur est principalement transportée par le couplage des modes vibrationnels, souvent décrit avec la théorie harmonique formulée par Allen et Feldman en 1989.
Dans cette thèse, nous avons développé une équation microscopique unifiée qui décrit correctement la conduction thermique dans les cristaux, dans les verres et surtout dans le régime mixte des matériaux thermoélectriques. En conséquence, cette équation peut être appliquée dans le domaine des énergies renouvelables, en permettant d’améliorer systématiquement l'efficacité des dispositifs utilisés pour la conversion thermoélectrique de la chaleur perdue en électricité.
Nous avons aussi montré que, pour les cristaux, il est possible de simplifier (en faisant un ‘‘coarse-graining’’) cette équation microscopique à un ensemble «d'équations de la chaleur visqueuse», qui généralisent l'équation macroscopique de Fourier (formulée en 1822) tenant compte de la diffusion et des effets hydrodynamiques de la chaleur, et expliquant la récente découverte du transfert de chaleur par ondes de température dans des dispositifs de graphite.