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Des cristaux deux fois plus isolants que le vide !

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Les cristaux photoniques sont des matériaux prometteurs qui sont un peu à la lumière ce que les semi-conducteurs sont aux courants électriques. Un groupe de chercheurs de l'Université de Stanford pense qu'ils pourraient servir à fabriquer des isolants thermiques deux fois plus efficace que le vide.

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 :

Dans les vases de Dewar, que l'on connaît mieux sous le nom de bouteille thermos, 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 infrarouge. Si l'on disposait d'un moyen de stopper ces photons dans une bande de longueur d'onde donnée, on pourrait encore améliorer l'isolation 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 opale. C'est aussi un exemple de cristaux photoniques naturels. Crédit : Université du Wisconsin-Madison

Une application pour l'énergie solaire ?

Il s'agit de structures périodiques de matériaux diélectriques ou métalliques conçues pour modifier la propagation des ondes électromagnétiques de la même manière qu'un potentiel périodique dans un cristal semi-conducteur affecte le déplacement des électrons 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 microns était capable de réduire le transfert de chaleur d'un facteur 2 par rapport au vide sous forme de lumière 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 réfraction du matériau diélectrique, c'est-à-dire de la vitesse de propagation de la lumière dans celui-ci.

Les cristaux photonique ont des applications importantes dans le domaine des télécommunications, en particulier dans celui des fibres 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.

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