Exploitation des Polaritons : Les Mini-centrales Énergétiques Transformant la Technologie des Semi-conducteurs

Les particules quantiques appelées phonons sont responsables du mouvement de l'énergie thermique dans un processus appelé transfert de chaleur. Cependant, avec l’avènement de semi-conducteurs nanométriques de plus en plus sophistiqués, les phonons seuls ne suffisent pas à dissiper la chaleur. Cette énigme a motivé les chercheurs de l’Université Purdue à explorer un nouvel aspect du transfert de chaleur à l’échelle nanométrique en utilisant des quasiparticules hybrides connues sous le nom de « polaritons ».

Le transfert de chaleur fascine particulièrement Thomas Beechem, professeur agrégé de génie mécanique à l’Université Purdue. Il compare les phonons et les photons, qui sont des particules représentatives de l'énergie par opposition aux entités physiques, aux composants d'une Prius hybride. La nouveauté du « polariton » réside dans sa composition : une combinaison de photons et de phonons, incarnant les caractéristiques de chacun mais possédant également des attributs distincts.

Malgré leur rôle dans des applications optiques allant de l'art du vitrail aux kits de tests de santé, les capacités de transfert de chaleur des polaritons avaient été largement négligées en raison de leur importance dans les matériaux de taille nanométrique. Jacob Minyard, titulaire d'un doctorat. étudiant travaillant sous Beechem, explique que c'est la miniaturisation incontrôlée des semi-conducteurs, qui semble entraver l'efficacité des phonons dans la dispersion de la chaleur, qui les a amenés à considérer les polaritons comme moyen alternatif de transfert de chaleur. Minyard suggère que les polaritons pourraient apporter une contribution plus significative à la conductivité thermique de ces semi-conducteurs à petite échelle.

Cette suggestion a été avancée dans leurs recherches publiées dans le Journal of Applied Physics. Beechem explique comment la communauté du transfert de chaleur a étudié l'impact des polaritons de manière segmentée, en se concentrant sur leurs effets sur différents matériaux ou interfaces. Cependant, leurs recherches mettent en lumière le rôle dominant des polaritons dans le transfert de chaleur pour des surfaces inférieures à 10 nanomètres, qui selon Beechem, sont deux fois la taille des transistors présents dans un iPhone 15.

L’enthousiasme de Beechem est palpable lorsqu’il évoque les opportunités que le transfert thermique par polariton pourrait apporter à l’industrie des semi-conducteurs, notamment en termes de conception intégrant à la fois les phonons et les polaritons. Quant à la façon dont cela pourrait être réalisé dans le monde réel, Minyard reconnaît que leurs découvertes n'ont qu'effleuré la surface et que des recherches supplémentaires doivent être menées pour comprendre comment les multiples matériaux utilisés dans la fabrication de puces pourraient être optimisés pour une conduction thermique plus efficace.

À la lumière de cela, les deux chercheurs souhaitent aider les fabricants de puces à intégrer les résultats de leurs recherches théoriques dans la conception réelle des puces semi-conductrices. Ils soulignent que l'incorporation devrait viser l'utilisation efficace des polaritons dans le transfert de chaleur dès le début de la conception, y compris le choix des matériaux et la configuration des couches de puces. À leurs yeux, le défi consistant à traduire la théorie en pratique est passionnant, et ils sont impatients de procéder à des expérimentations physiques dans l’environnement favorable de l’Université Purdue.

« La communauté du transfert de chaleur ici à Purdue est si robuste », a déclaré Beechem. «Nous pouvons littéralement monter à l'étage et parler à Xianfan Xu, qui a eu l'une des premières réalisations expérimentales de cet effet. Nous pourrons ensuite nous rendre au Flex Lab et interroger Xiulin Ruan sur son travail de pionnier dans la diffusion des phonons. Et nous disposons des installations ici au Birck Nanotechnology Center pour réaliser des expériences à l'échelle nanométrique et utiliser des outils de mesure uniques en leur genre pour confirmer nos résultats. C’est vraiment le rêve d’un chercheur.