Un transistor thermique quantique pour les nanotechnologies

Résultat scientifique Procédés

L’invention de la diode et du transistor a révolutionné l’électronique au cours du 20ème siècle. Quelles perspectives s’ouvriraient si de tels composants interagissaient non plus avec l’électricité, mais avec la chaleur ? Une équipe de l’institut P' a ainsi posé les fondements théoriques pour un transistor thermique quantique, qui reprend les trois fonctions clés d’un transistor. Il permet, à l’échelle nanométrique, de moduler, interrompre et amplifier les flux de chaleur. Ces travaux ont été publiés dans Physical Review Letters.

Par définition, un transistor est composé de trois électrodes et sert d’interrupteur, de modulateur et d’amplificateur de courant. À la place de ces trois électrodes, les chercheurs de l’Institut P' : recherche et ingénierie en matériaux, mécanique et énergétique (Pprime, CNRS) proposent d’utiliser trois systèmes à deux niveaux , chacun couplé à un réservoir thermique. Pour cela, ils ont pris l’exemple de boîtes quantiques, qui sont des puits de potentiel à trois dimensions, au milieu de matière condensée, dans lesquels un électron est prisonnier.

L’équipe a montré qu’un courant thermique imposé à l’une des boîtes quantiques permet de contrôler et moduler les flux thermiques au niveau des deux autres systèmes, jusqu’à pouvoir les éteindre comme un interrupteur ainsi que les amplifier. Les trois caractéristiques d’un transistor sont vérifiées, le système fonctionne donc bien comme un transistor thermique quantique.

Chaque boîte quantique peut en principe être immergée dans une nanoparticule, puis être couplée aux deux autres. Le tout tiendrait sur des distances de quelques nanomètres et les températures seraient contrôlées par effet joule, c’est-à-dire par la chaleur produite par un courant électrique traversant les nanoparticules. Les chercheurs imaginent déjà des circuits logiques thermiques pour réguler passivement la chaleur.

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© Karl Joulain – P’

Figure représentant 3 systèmes à 2 niveaux couplés entre eux et reliés chacun à un réservoir de température. Les flux thermiques issus de la source (rouge) et reçus par le collecteur (bleu) représentés sur le schéma par les flèches rouge et bleu sont contrôlés en appliquant un faible flux sur la base (vert). 
 

Références :

Quantum thermal transistor can control heat currents
K. Joulain, J. Drevillon, Y. Ezzahri, and J. Ordonez-Miranda
Phys. Rev. Lett. 116, 200601 (2016)
DOI : http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.200601

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Karl Joulain
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