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Une vue au microscope de la structure d'un cristal photonique. On voit ici qu'il est constitué d'un empilement de petites sphères. Crédit : Koen Clays
Le transport de la chaleur, qui est un transfert d'énergie, peut se faire essentiellement de trois manières :
- par conduction, avec par exemple des phonons dans les solides,
- par convection dans les fluides, c'est à dire avec transport macroscopique de matièrematière,
- par radiation avec des photonsphotons.
Dans les vases de Dewar, que l'on connaît mieux sous le nom de bouteille thermosthermos, ces trois modes de transport de la chaleur sont limités par l'utilisation d'une double paroi, avec un vide entre les deux, et l'emploi de couches réfléchissantes.
Si le vide supprime largement la conduction et la convection, la chaleur peut tout de même se propager de façon non négligeable sous forme de photons dans le domaine infrarougeinfrarouge. Si l'on disposait d'un moyen de stopper ces photons dans une bande de longueur d'ondelongueur d'onde donnée, on pourrait encore améliorer l'isolation thermiqueisolation thermique de certains dispositifs.
Le groupe de recherche du professeur Shanhui Fan à l'Université de Stanford semble précisément avoir trouvé ce moyen, tout du moins sur le papier comme l'expliquent ces chercheurs dans un article de Phys. Rev. B.
L'idée est ingénieuse et repose sur l'emploi de matériaux explorés dans le domaine des nanosciences mais que la nature connaît depuis longtemps comme le prouve l'exemple des papillons ou du ver marin Aphrodita. La clé repose en effet sur les cristaux photoniques..
Une application pour l'énergie solaire ?
Il s'agit de structures périodiques de matériaux diélectriquesdiélectriques ou métalliques conçues pour modifier la propagation des ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques de la même manière qu'un potentiel périodique dans un cristal semi-conducteursemi-conducteur affecte le déplacement des électronsélectrons en créant des bandes d'énergie autorisées et interdites. Avec de tels cristaux, on peut, si l'on s'y prend bien, bloquer la propagation de certains photons dans une bande donnée de l'infrarouge.
Fan et ses collègues ont calculé qu'un empilement de 10 couches de cristaux photoniques sur une épaisseur de 100 micronsmicrons était capable de réduire le transfert de chaleur d'un facteur 2 par rapport au vide sous forme de lumièrelumière infrarouge. Chacune des couches de cristaux photoniques est épaisse d'un micron seulement et elles sont séparées par un vide de 90 microns. De façon surprenante, les calculs indiquent que l'effet d'isolation thermique ne dépend pas de l'épaisseur des couches mais de l'indice de réfractionindice de réfraction du matériaumatériau diélectrique, c'est-à-dire de la vitessevitesse de propagation de la lumière dans celui-ci.
Les cristaux photonique ont des applicationsapplications importantes dans le domaine des télécommunications, en particulier dans celui des fibres optiquesfibres optiques dont l'un des pionniers a été récompensé cette année par un prix Nobel de physique. Si l'expérience vérifie les prédictions théoriques du groupe de Stanford, les cristaux photoniques pourraient avoir des applications intéressantes dans le domaine de la production thermique d'énergie solaire.
