Quand la chaleur circule comme de l'eau

Pour comprendre comment la chaleur circule normalement, on peut étudier la deuxième loi de la thermodynamique. Ou simplement prendre une tasse de café chaud dans les mains. Dans les deux cas, la chaleur tend à se déplacer vers les zones plus froides. Lorsque l’énergie thermique d’un matériau augmente, ses atomes vibrent, et la mécanique quantique décrit ces vibrations sous forme de phonons : des quasi-particules qui transportent la chaleur. Normalement, les collisions entre phonons provoquent une dissipation progressive de la chaleur. Mais dans des cristaux purs et très ordonnés, ces collisions peuvent produire un flux de chaleur directionnel, semblable à celui d’un fluide, appelé hydrodynamique des phonons.

Des scientifiques du Laboratoire de Théorie et simulation des matériaux, dirigé par Nicola Marzari de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL, ont démontré théoriquement que le flux hydrodynamique de la chaleur peut former des tourbillons et même se déplacer des régions plus froides vers des régions plus chaudes. À l’aide de simulations, ils montrent comment maximiser ce flux de chaleur hydrodynamique dans une bande bidimensionnelle de graphite cristallin. Outre révéler pour la première fois la physique sous-jacente de ce phénomène, leur modèle analytique offre un outil puissant pour exploiter le « reflux » de chaleur afin de mieux gérer l’énergie thermique dans les dispositifs électroniques.

Notre approche permettra d’orienter les recherches vers le développement de dispositifs électroniques exploitant cet effet pour gérer la chaleur plus efficacement.

« Les travaux précédents reposaient sur des modélisations numériques, qui décrivent les profils de température, mais n’expliquent pas complètement comment les quantités physiques interagissent », précise le premier auteur et ancien chercheur à l’EPFL, Enrico Di Lucente, aujourd’hui postdoctorant à l’Université Columbia. « Grâce à notre cadre analytique, nous avons montré que le reflux de chaleur est maximal lorsque le flux est presque incompressible. Notre approche permettra d’orienter les recherches vers le développement de dispositifs électroniques exploitant cet effet pour gérer la chaleur plus efficacement. »

Les chercheurs indiquent que leurs travaux, récemment publiés dans Physical Review Letters, pourraient avoir un impact sur la gestion thermique dans de nombreux secteurs, allant de l’électronique grand public et l’industrie au stockage d’énergie, en passant par les centres de données et le cloud computing.

Vers une électronique plus rapide et plus froide

Bien que des preuves expérimentales de l’hydrodynamique des phonons existent depuis les années 1960, jusqu’à présent, les scientifiques ne comprenaient pas la théorie fondamentale nécessaire pour exploiter pleinement la nature fluide du flux de chaleur hydrodynamique.

Le cadre analytique de l’équipe de l’EPFL révèle que le profil de température d’un système hydrodynamique peut être divisé en deux composantes : la vorticité (la manière dont le flux thermique tourbillonne) et la compressibilité (la manière dont il est comprimé). Cela explique pourquoi le reflux thermique est maximisé lorsque la compressibilité est minimale : quand le flux thermique est incompressible, il ne peut pas être comprimé ou s’agglomérer quand il rencontre une résistance, et doit au contraire être redirigé vers l’arrière. Ce renversement localisé permet un flux plus efficace et mieux coordonné en réduisant l'accumulation de chaleur, qui peut entraîner une surchauffe et une baisse des performances des appareils électroniques.

« Dans le reflux thermique hydrodynamique, la chaleur s’écoule des zones plus froides vers les zones plus chaudes, ce qui conduit à une différence de température négative et à une résistance thermique globale négative à travers le dispositif, explique Enrico Di Lucente. Cet effet est très faible, mais nous pouvons désormais concevoir des expériences pour le maximiser, ce qui pourrait changer notre manière d’envisager les pertes d’énergie dans les systèmes électroniques. On pourrait, par exemple, imaginer un smartphone doté d’un composant hydrodynamique capable de diriger l’énergie thermique loin de la batterie pour éviter sa surchauffe. »

Nicola Marzari avance que les équations développées peuvent être utilisées pour étudier tout autre vecteur microscopique, des électrons à des particules quantiques plus complexes, et que les mouvements de ces particules peuvent être calculés directement à partir des lois fondamentales de la physique.

« Outre cette avancée théorique majeure, nos simulations basées sur les principes fondamentaux offrent une description réaliste des systèmes physiques, rapidement et à moindre coût par rapport à la construction de nouveaux dispositifs expérimentaux. Elles peuvent également indiquer où concentrer les efforts expérimentaux afin de développer une électronique plus efficace du point de vue thermique », conclut-il.