Dans une nouvelle étude menée à l’Université de Californie à Berkeley, des chercheurs ont montré que l’énergie thermique peut voyager à travers un vide absolu grâce aux fluctuations quantiques. Pour y parvenir, l’équipe a placé deux membranes de nitrure de silicium recouvertes d’or, placées à quelques centaines de nanomètres l’une de l’autre dans une chambre à vide. Lorsqu’ils ont chauffé l’une des membranes, l’autre s’est également réchauffée alors qu’il n’y avait aucun contact entre les deux membranes et que le rayonnement électromagnétique était négligeable.
Pour comprendre l’étendue de la découverte, il convient de donner un exemple parlant : vous savez probablement que si vous le pouviez, placer un thermos sous vide (absence totale d’air) pour garder votre café au chaud serait un excellent moyen de conserver davantage la chaleur, le vide étant un très bon isolant car l’énergie thermique a du mal à s’y déplacer. Les vibrations des atomes ou des molécules, qui transportent l’énergie thermique, ne peuvent tout simplement pas voyager s’il n’y a pas d’atomes ou de molécules autour.
Mais des chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley, ont réussi à montrer comment l’étrangeté de la mécanique quantique peut renverser ce principe de base de la physique classique.
L’étude, parue cette semaine dans la revue Nature, montre que l’énergie thermique peut voyager à travers quelques centaines de nanomètres de vide absolu, grâce à un phénomène de la mécanique quantique connu sous le nom d’effet Casimir.
Effet Casimir et fluctuations quantiques du vide
Bien que cet effet ne soit significatif qu’à de très petites échelles, il pourrait avoir de profondes implications pour la conception de puces informatiques et d’autres composants électroniques à l’échelle nanométrique, où la dissipation thermique est essentielle. Cela bouleverse également ce que beaucoup d’entre nous ont appris sur le transfert de la chaleur en physique.
« La chaleur est généralement conduite dans un solide à travers les vibrations d’atomes ou de molécules, ou des soi-disant phonons – mais dans le vide, il n’y a pas de milieu physique. Ainsi, pendant de nombreuses années, les manuels nous ont dit que les phonons ne peuvent pas voyager à travers le vide », a déclaré Xiang Zhang, professeur de génie mécanique à l’UC Berkeley, qui a dirigé l’étude. « Ce que nous avons découvert, de façon surprenante, c’est que les phonons peuvent en effet être transférés à travers le vide par des fluctuations quantiques invisibles ».
Dans l’expérience, l’équipe de Zhang a placé deux membranes de nitrure de silicium recouvertes d’or à quelques centaines de nanomètres l’une de l’autre, placées à l’intérieur d’une chambre à vide. Quand ils ont chauffé l’une des membranes, l’autre s’est également réchauffée.
« Cette découverte d’un nouveau mécanisme de transfert de chaleur offre des opportunités sans précédent pour la gestion thermique à l’échelle nanométrique, ce qui est important pour le calcul à grande vitesse et le stockage de données », déclare Hao-Kun Li, un ancien doctorant du groupe de Zhang et co-auteur principal de l’étude. « Maintenant, nous pouvons concevoir le vide quantique pour extraire la chaleur dans les circuits intégrés ».
En physique quantique, le vide absolu n’existe pas
L’exploit à première vue impossible de déplacer les vibrations moléculaires à travers le vide peut être ici accompli car, selon la mécanique quantique, le vide absolu n’existe pas, a déclaré King Yan Fong, chercheur postdoctoral à l’UC Berkeley et deuxième co-auteur principal de l’étude.
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« Même si vous obtenez un espace ‘vide’ selon la physique classique — pas de matière, pas de lumière — la mécanique quantique dit qu’il ne peut pas être vraiment vide. Il y a encore quelques fluctuations du champ quantique dans le vide », a déclaré Fong. « Ces fluctuations donnent naissance à une force qui peut relier deux objets entre eux, et c’est ce que nous appelons ‘l’effet Casimir’. Ainsi, lorsqu’un objet se réchauffe et commence à vibrer et osciller, ce mouvement peut être transmis à l’autre objet à travers le vide, par le biais des fluctuations quantiques du vide ».
Bien que les théoriciens aient longtemps spéculé que l’effet Casimir pourrait aider les vibrations moléculaires à voyager à travers le vide, le prouver expérimentalement a été un défi majeur.
Les chercheurs ont notamment découvert qu’en choisissant soigneusement la taille et la structure des membranes, ils pouvaient transférer l’énergie thermique sur quelques centaines de nanomètres de vide. Cette distance était suffisamment éloignée pour que les autres modes de transfert de chaleur possibles soient négligeables, telle que l’énergie transportée par le rayonnement électromagnétique.
Le son pourrait également voyager à travers le vide
Parce que les vibrations moléculaires sont également à la base des sons que nous percevons, cette découverte suggère que le son pourrait également voyager à travers le vide.
« Il y a vingt-cinq ans, lors de mon examen de qualification de doctorat à Berkeley, un professeur m’a demandé : ‘Pourquoi pouvez-vous entendre ma voix ?’. J’ai répondu : ‘C’est parce que votre son se déplace en faisant vibrer des molécules dans l’air’. Il a ensuite demandé : ‘Et si nous aspirions toutes les molécules d’air de cette pièce ? M’entendriez-vous toujours ?’. J’ai dit : ‘Non, car il n’y aurait plus de milieu pour vibrer’ », raconte Zhang.
« Aujourd’hui, ce que nous avons découvert est un nouveau mode de conduction de chaleur surprenant à travers un vide sans milieu, qui est atteint par les fluctuations intrigantes du vide quantique. Donc, je me suis trompé lors de mon examen de 1994 ! Maintenant, vous pouvez crier à travers le vide » conclut-il.