Contrôler les phonons
Les phonons sont les principaux transporteurs de chaleur dans les solides. La possibilité de les contrôler ouvre donc de nouvelles possibilités pour gérer et récolter la chaleur dans les systèmes intégrés. Les phonons sont susceptibles d’être manipulés de différentes manières afin d’utiliser au mieux la chaleur résiduelle dégagée par de multiples systèmes à l’échelle mondiale. «Par ailleurs, le contrôle du transport des phonons pourrait poser les bases d’une nouvelle technologie pour la logique, les dispositifs de stockage de données et les mécanismes informatiques, en tirant parti du potentiel des phonons dans ce nouveau domaine qu’est la phononique», explique Eric Langenberg, coordinateur du projet PHONON-VALVE financé par l’UE.
Manipuler les phonons
Le projet PHONON-VALVE a entrepris de tester l’idée que le transport des phonons peut être modulé par un champ électrique en utilisant comme barrières phononiques, appelées «parois de domaine», des matériaux ferroélectriques». L’équipe a voulu montrer que les champs électriques peuvent être utilisés pour placer ces parois de domaine à différents endroits d’un matériau et les utiliser comme des valves grâce auxquelles les phonons peuvent être contrôlés. «Le but ultime de la proposition était de découvrir si les parois de domaine réduisaient réellement la propagation des phonons», souligne Eric Langenberg. «Si tel est le cas, les matériaux ferroélectriques peuvent être considérés comme d’excellents candidats pour être utilisés dans de nouveaux dispositifs phononiques.» PHONON-VALVE a commencé par concevoir une grande variété de modèles de parois de domaines dans un même matériau ferroélectrique mais avec des densités différentes. Les chercheurs ont fait croître des couches minces de matériaux ferroélectriques en utilisant un procédé d’ingénierie des contraintes (strain engineering). L’équipe a ensuite mesuré la conductivité thermique des couches minces ferroélectriques, puis est parvenue à déterminer les effets des parois des domaines ferroélectriques sur la propagation des phonons. Les scientifiques ont ainsi découvert que les parois de domaine avaient un effet significatif sur la conductivité des couches minces, beaucoup plus important que celui des autres matériaux.
Création de circuits phononiques
Les chercheurs ont mesuré la conductivité thermique des couches minces ferroélectriques en appliquant un champ électrique. Ils ont constaté que les parois de domaine dans les films sont électriquement très malléables, quel que soit leur type. Ils ont ainsi obtenu une réduction de 61 % de la conductivité thermique à température ambiante, par rapport au scénario à domaine unique. «En d’autres termes, les parois de domaine ferroélectriques peuvent être aussi efficaces que d’autres types d’interfaces lorsqu’il s’agit d’inhiber la transmission des phonons, mais avec l’avantage clé qu’elles peuvent être modifiées électriquement», explique Eric Langenberg. Ainsi, les chercheurs du projet PHONON-VALVE ont démontré que dans certaines conditions, les parois de domaines écrites électriquement peuvent être stables pendant plusieurs jours, un résultat important pour de futures applications phononiques non volatiles. Ces conclusions démontrent le potentiel et l’aptitude des matériaux ferroélectriques comme barrières actives pour contrôler le transport thermique dans les dispositifs phononiques. «La prochaine étape consistera à demander un financement pour continuer à approfondir cette nouvelle ligne de recherche qui vise à contrôler la propagation des phonons à l’aide de champs électriques», conclut Eric Langenberg. «J’envisage notamment de demander un financement du CER pour diriger un groupe de recherche sur la phononique et les matériaux ferroïques.»
Mots‑clés
PHONON-VALVE, phonons, champ électrique, parois de domaine, ferroélectrique
