Au cours des dernières années, les avancées en ingénierie ont permis une miniaturisation toujours plus importante des appareils électroniques, permettant une plus grande portabilité. Cependant, une telle miniaturisation entraîne également des conséquences en matière de surchauffe des composants électroniques, obligeant les constructeurs à intégrer des systèmes de refroidissement le plus souvent bruyants ou tombant en panne facilement. Cependant, une équipe d’ingénieurs japonais a récemment mis au point un système de refroidissement statique par puits quantiques, qui pourrait directement équiper les appareils électroniques actuels.

Des chercheurs de l’Université de Tokyo ont annoncé une nouvelle méthode de refroidissement électrique sans nécessiter de pièces mobiles. En appliquant une tension polarisée aux puits quantiques présents dans les semi-conducteurs d’arséniure d’aluminium et de gallium, les électrons peuvent perdre une partie de leur chaleur dans un processus appelé « refroidissement par évaporation ». Les détails ont été publiés dans la revue Nature Communications.

Des dispositifs basés sur ce principe peuvent être ajoutés aux cartes de circuits électroniques à l’aide de méthodes de fabrication de semi-conducteurs conventionnelles afin d’aider les smartphones et les ordinateurs portables à éviter les problèmes de performances causés par les températures élevées.

Miniaturisation des composants et problème de surchauffe des appareils

À mesure que les smartphones, les tablettes et les ordinateurs portables deviennent plus petits et plus puissants, la possibilité de surchauffe devient un problème de plus en plus prégnant. Les ventilateurs actuellement disponibles sont bruyants, encombrants et comportent des pièces mobiles qui peuvent tomber en panne.

Des ingénieurs de l’Institut des sciences industrielles de l’Université de Tokyo ont présenté leur nouvelle solution inamovible, à partir de semi-conducteurs, pouvant être facilement transposée dans les smartphones et ordinateurs portables.

« Les appareils portables modernes ont permis la révolution actuelle de l’information » explique l’un des auteurs, Marc Bescond. « Cependant, cette miniaturisation pose des problèmes inhérents à la perte de chaleur produite. Notre nouveau système permet un refroidissement sur puce utilisant des processus de fabrication de semi-conducteurs standards ».

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Un système de refroidissement utilisant les puits quantiques

Les puits quantiques sont des structures nanométriques suffisamment petites pour piéger les électrons. Le type de puits quantique utilisé dans le cadre de cette recherche est appelé hétérostructure asymétrique à double barrière.

Dans ces dispositifs, des puits d’arséniure de gallium très étroits sont séparés par des couches d’arséniure d’aluminium et de gallium. Lorsque la tension de polarisation appliquée est égale à l’énergie du niveau quantique à l’intérieur du puits, les électrons peuvent utiliser un tunnel résonant pour passer facilement à travers une barrière.

schema puits quantique

Schéma illustrant le fonctionnement d’un puits quantique et le refroidissement par évaporation. Crédits : Aymen Yangui et al. 2019

Cependant, seuls les électrons à haute énergie cinétique pourront continuer au-delà d’une seconde barrière. Étant donné que les électrons rapides les plus chauds s’échappent, alors que les électrons lents plus froids sont piégés, le dispositif devient plus froid. Ce refroidissement par évaporation est analogue au processus qui vous fait ressentir le froid lorsque nous sortons d’une piscine. Les molécules d’eau ayant le plus d’énergie thermique sont les premières à s’évaporer de votre peau en emportant leur chaleur.

« Nous avons atteint un refroidissement électronique allant jusqu’à 50 °C dans des conditions ambiantes. Ces résultats font de nos dispositifs à puits quantiques une solution prometteuse pour la gestion complète de la chaleur dans les dispositifs intelligents. Les futurs smartphones pourraient comporter des cartes de circuits imprimés internes contenant encore plus de composants, à condition qu’ils disposent également de certains de ces puits quantiques rafraîchissants » conclut Kazuhiko Hirakawa.

Sources : Nature Communications

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