Prix EPFL de Doctorat - 2022 - Michele Simoncelli

Pour le développement de nouvelles théories microscopiques et mésoscopiques du transport thermique : l'équation de transport de Wigner, généralisant Peierls-Boltzmann, et les équations visqueuse de chaleur, généralisant la loi de Fourier.

Les mécanismes de conduction de la chaleur dans les cristaux et dans les verres sont fondamentalement différents : la périodicité des cristaux permet l'excitation des vibrations atomiques qui se propagent comme des particules et transportent la chaleur, comme l'a décrit Peierls en 1929; par contre, dans les verres l’absence de périodicité invalide la théorie de Peierls, et la chaleur est principalement transportée par un mécanisme de couplage entre 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 dans le régime mixte des cristaux complexes avec conductivité thermique très basse. En conséquence, cette équation peut être appliquée dans l’industrie aérospatiale et dans le secteur des énergies renouvelables, en permettant de comprendre comment développer des barrières thermiques pour turbine de moteurs d'avions, et 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 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 faits avec du graphite.