En 1900, le physicien allemand Max Planck formule une loi décrivant la répartition de l’énergie électromagnétique rayonnée par un corps noir à une température donnée, en fonction de la longueur d’onde. Elle est ainsi utilisée dans la description des phénomènes de rayonnement et transfert thermiques. Plus de 100 ans après, la loi de Planck est utilisée dans de très nombreux domaines et a systématiquement été testée avec succès. Mais récemment, celle-ci a échoué à un test réalisé à l’échelle nanométrique.

À l’échelle nanométrique, la loi de Planck concernant le transfert thermique radiatif ne se comporte plus en accord avec la théorie. Les implications d’une telle découverte demeurent encore incertaines, mais elles pourraient impacter un grand nombre de domaines, des modèles climatiques aux nanotechnologies, en passant par les modèles de dynamique planétaire.

Le test a été réalisé par des physiciens du collège William & Mary (Virginie) et de l’université du Michigan, dont l’objectif était d’étudier la dynamique de la radiation thermique entre des objets nanométriques. Les données, publiées dans la revue Nature, ont montré que non seulement la loi de Planck ne rend pas correctement compte des phénomènes observés, mais qu’en plus les objets nanométriques absorbent et émettent 100 fois plus efficacement la chaleur que les modèles actuels ne le prédisent.

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« C’est le principe avec la physique » révèle Mumtaz Qazilbash, physicien au collège William & Marry. « C’est important de mesurer expérimentalement des phénomènes, mais c’est surtout important de comprendre ce qu’il se passe ».

Depuis des centaines d’années, les scientifiques savent que les objets rayonnent en émettant de la lumière. Et depuis un long moment également, ils savent que cette lumière (et sa couleur) est reliée à la température des objets. Au 19ème siècle, les physiciens ont commencé à étudier le phénomène en détail, en analysant la couleur de la lumière émise depuis l’intérieur d’une boîte noire chauffée. L’observation de ce rayonnement de corps noir a permis de confirmer cette relation.

graphe loi planck

Graphique illustrant la loi de Planck. Crédits : OBSPM

L’approche de Planck a été de considérer la façon dont la lumière était absorbée et émise à la manière de l’oscillation d’un pendule, impliquant des quantités discrètes (définies) d’énergie absorbées et ré-émises. Ce modèle s’est montré extrêmement efficace pour appréhender et décrire le phénomène de radiation thermique ; la loi de Planck a donc été adoptée et entérinée par les scientifiques.

La loi de Planck fonctionne pour des objets visibles séparés par des distances observables. Mais que se passe-t-il quand ces objets sont rapprochés de telle manière à ce que l’espace entre eux soit inférieur à la longueur d’onde de la lumière ?

L’électromagnétisme offre des éléments de réponses via la description des champs proches et des champs lointains. De précédentes recherches ont montré d’importantes différences dans la dynamique du transfert thermique entre champ proche et champ lointain (celui étudié par Planck).

Mais ces études ne concernent que la distance entre des objets macroscopiques. Qu’en est-il de la taille des objets eux-mêmes ? Pour tester ce scénario, les scientifiques ont dû mettre en place une expérience impliquant des objets d’une taille inférieure à 10 microns (approximativement la longueur d’onde de l’infrarouge). Ces nanostructures calorimétriques ont été installées sur deux membranes de nitrure de silicium d’un demi micron, séparées d’une distance correspondant au champ lointain.

loi planck experience

Schéma présentant le principe de l’expérience. Une membrane nanométrique est chauffée (rouge) tandis qu’une autre (bleu) absorbe l’énergie émise par transfert thermique. Crédits : Dakotah Thompson & al.

En chauffant l’une des membranes et en mesurant l’absorption de l’autre, les chercheurs ont pu analyser le transfert thermique avec une précision inégalée. « La loi de Planck affirme que le taux du transfert d’énergie entre deux objets est défini (discret) et peut être précisément prédit » explique Qazilbash. « Toutefois, nous avons observé expérimentalement un taux de transfert 100 fois plus élevé que les prédictions de la loi de Planck pour des objets très, très petits ».

Ce transfert hyper-efficace d’énergie à l’échelle microscopique pourrait considérablement changer les modèles actuels concernant les transferts thermiques atmosphériques, ou les phénomènes de refroidissement dans les corps planétaires. « Partout où le rayonnement joue un rôle important en physique et en science, c’est là que les découvertes sont essentielles » conclut Qazilbash.

Source : Nature

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