Les scientifiques d'IBM mesurent le transfert de chaleur via des atomes uniques

Représentation schématique de la technique de mesure. Crédit :Nature Nanotechnologie

Publiés aujourd'hui, à l'aide d'une technique qui ressemble à un trampoline, les scientifiques d'IBM ont mesuré pour la première fois la conductance thermique de contacts à points quantiques métalliques en or jusqu'au niveau d'un seul atome à température ambiante.

Comme tout évolue à l'échelle nanométrique, la chaleur - plus précisément sa perte - devient un problème de fiabilité des appareils. Pour résoudre ce problème, l'année dernière, des scientifiques d'IBM à Zurich et des étudiants de l'ETH Zurich ont publié et breveté une technique pour mesurer la température de ces objets de taille nanométrique à 10 nanomètres et moins - une réalisation remarquable. Ils ont appelé la nouvelle technique thermométrie à sonde à balayage (vidéo) et elle a fourni aux ingénieurs, pour la première fois, la possibilité de cartographier les pertes de chaleur à travers une puce et, plus important encore, de cartographier les pertes de chaleur jusqu'au niveau de l'appareil unique et de cartographier la température distributions.

Configuration expérimentale utilisée dans le document. (cliquez sur la photo pour l'agrandir)

Cependant, comme la taille des appareils électroniques continue de diminuer, très bientôt, 10 nanomètres ne seront plus considérés comme « à petite échelle ». Tester quelle est la structure la plus petite possible pouvant être détectée thermiquement deviendra alors encore plus critique. Heureusement, pour le soulagement des scientifiques travaillant sur le défi de l'élimination de la chaleur, ces mêmes inventeurs rapportent maintenant une nouvelle avancée pour y parvenir, dans la revue à comité de lecture Nature Nanotechnology.

Les auteurs attribuent leur succès à deux facteurs :un système micro-électromécanique (MEMS) avec un capteur thermique intégré qui fonctionne dans un microscope à effet tunnel sous vide (STM) et un laboratoire extrêmement découplé Noise Free Lab, qui est protégé de presque tout type de perturbation, y compris le champ magnétique terrestre, les tours de téléphonie mobile et les vibrations d'un train qui passe.

Comme indiqué :

Le système combine essentiellement des mesures simultanées de transport de chaleur et de charge pour extraire la conductance thermique et électrique des contacts métalliques. Semblable à d'autres configurations de rupture de jonction STM, une pointe STM est utilisée pour former et rompre des contacts à quelques atomes sur un substrat recouvert d'une couche métallique. Ici, cependant, l'électrode inférieure est intégrée sur un MEMS suspendu pour l'isoler thermiquement du substrat de la puce.

Le Dr Bernd Gotsmann, chercheur IBM dans l'IBM Noise Free Laboratoire où cette recherche a été menée. Crédit photo :Carl De Torres

« Les propriétés de la conduction thermique à travers les jonctions atomiques doivent encore être pleinement explorées, a déclaré le Dr Bernd Gotsmann, l'un des principaux auteurs de l'article. "Ce faisant, nous avons également prouvé la validité de la loi de Wiedemann-Franz dans les contacts ponctuels quantiques, qui a été initialement prédite par l'ancien scientifique d'IBM Rolf Landauer."

En plus de mesurer la conductance thermique dans les appareils électroniques, les auteurs pensent que leurs résultats pourraient également trouver des applications supplémentaires.

Le scientifique et auteur principal d'IBM, Nico Mosso, explique :« En plus des contacts ponctuels quantiques de différents métaux, la technique permettra également aux scientifiques de caractériser et de contrôler la chaleur même dans les dispositifs moléculaires. Cela ouvre vraiment de nombreuses opportunités et, espérons-le, nous permet de jouer avec la chaleur à l'avenir comme nous le faisons avec l'électricité aujourd'hui. »

Transport de chaleur par contacts atomiques, Nico Mosso, Ute Drechsler, Fabian Menges, Peter Nirmalraj, Siegfried Karg, Heike Riel &Bernd Gotsmann,  doi:10.1038/nnano.2016.302

La recherche a été partiellement financée par la Commission européenne dans le cadre du projet H2020 Molesco.

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Événement Facebook en direct :rejoignez le Dr Gotsmann le 10 avril à 16 h Paris (10 h 00 à New York) sur la page Facebook d'IBM Research où il vous montrera les laboratoires sans bruit d'IBM, parlera de ses brevets et de ses recherches et répondra à vos questions.

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