Conduction quantique de la chaleur

Dans une expérience récente, Dr. Matthias Meschke, Dr. Wiebke Guichard et Pr. Jukka Pekola ont analysé l’échange de chaleur entre deux très petits îlots métalliques connectés seulement à l’aide de fils supraconducteurs. Ces résultats montrent qu’à très basse température, la chaleur est transférée par radiation électro-magnétique. Au cours de cette expérience, les chercheurs ont étudié le processus de transport de la chaleur dans des circuits de la taille du nanomètre ou du micromètre, posés sur une simple puce de silicium, à une température de seulement 0.1 degrés au-dessus du zéro absolu.

Jusqu’à présent, les experts s’accordaient à dire que les supraconducteurs sont des isolants idéaux en ce qui concerne la conduction de la chaleur. Ces nouveaux résultats expérimentaux démontrent qu’aux basses températures, la chaleur est transférée par radiations électromagnétiques, et que ce transfert de chaleur ne peut avoir une valeur arbitraire : il est limité par ce qu’on appelle le quantum de conductance thermique. Ceci est un nouvel exemple de la façon dont les lois de la physique change dès que la mécanique quantique entre en jeu.
La temperature d’un ilot nano-métallique
Fig. 1 : a) Changement de la température de l’îlot métallique en fonction du champ magnétique, qui contrôle l’interrupteur pour le transfert de chaleur par radiation électro-magnétique. La température augmente et diminue suivant que la chaleur arrive ou non sur l’îlot. b) l’amplitude de cette oscillation pour différentes températures. L’effet observé augmente en diminuant la température. c) La conduction thermique sature à basse température au quantum de la conductance thermique.
Ces expériences sont très exigeantes car il faut mesurer la température d’un minuscule îlot métallique. Aucun thermomètre ordinaire ne peut le faire, car il serait simplement trop gros. C’est à nouveau la mécanique quantique qui permet de résoudre le problème : des sondes, dont l’intersection ne mesure qu’une centaine de nanomètres, utilisent l’effet tunnel qui permet, grâce à la mécanique quantique, la pénétration des particules dans un domaine classiquement interdit. Un courant électrique, dû à cet effet tunnel, sonde la distribution en énergie des électrons, et mesure ainsi leur température du petit îlot métallique. Afin de pouvoir distinguer le signal du bruit de l’environnement, les chercheurs ont placé un « interrupteur » dans le fil supraconducteur, ce qui permet, en alternance, de laisser passer ou d’empêcher le transport de la chaleur par radiation électromagnétique à travers le fil. La figure 1 montre la variation de la température de l’îlot métallique, en fonction du champ magnétique qui permet de contrôler l’interrupteur.

Ces expériences permettent de mieux comprendre les mécanismes de transport thermique dans des structures à l’échelle nanométrique.

Micrographie du dispositif
Fig. 2 : micrographie électronique du dispositif étudié (gauche) avec l’agrandissement de la resistance avec les quatre contacts tunnel avec le fil supraconducteur à droite.
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