Thermique et nanomonde

La réponse thermique d’un nanosystème à une variation de chaleur peut-être étonnement irrégulière. Notre équipe, « thermodynamique des petits systèmes », étudie les comportements thermiques et thermodynamiques de la matière aux très petites échelles de longueur. Un comportement anormal par rapport au matériau massif peut s’observer aussi bien en transport thermique (phonons 1D) dans des objets unidimensionnels, qu’en chaleur spécifique sur des systèmes nanostructurés.

C’est ce que nous avons démontré en mesurant la chaleur spécifique de boucles et de disques d’aluminium supraconducteurs dans un champ magnétique par une expérience récente ultra-sensible en énergie, mieux que la dizaine d’attoJoule (10-18 Joule). Lorsque l’on augmente le champ magnétique, la chaleur spécifique suit un comportement oscillant et discontinu que nous associons à l’entrée de vortex géants dans ces boucles. L’entrée de chaque vortex s’accompagne d’une transition de phase, et notre expérience a montré qu’une série de plusieurs dizaines de ces transitions pouvaient se succéder (voir figure). Ceci implique que l’élévation en température suite à un apport de chaleur d’un corps structuré à l’échelle du nanomètre peut se faire de façon très irrégulière du fait de sa taille réduite.
Fig. 1a Capteur attojoule
Capteur attojoule et nano-objets étudiés dans l’équipe Thermodynamique des Petits Systèmes
Fig. 1b Ensemble d’anneaux d’aluminium

Un tel comportement est très éloigné de ce qui se passe pour des corps macroscopiques pour lesquels une seule transition de phase est observée entre l’état supraconducteur et l’état normal lorsque le champ magnétique dépasse une valeur critique. Nos résultats montrent donc que les propriétés thermiques d’objets à l’échelle du nanomètre peuvent être profondément modifiées par leur petite taille, une conclusion qui peut avoir des implications importantes pour la conception future de systèmes nanoélectroniques.


Fig. 2 Oscillations de la chaleur spécifique d’anneaux supraconducteurs
Ces courbes de chaleur spécifique illustrent le comportement oscillant propre à la matière structurée à l’échelle du nanomètre.
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