Quand la mécanique quantique limite la conduction de la chaleur

Des physiciens ont mesuré la valeur maximum de conduction de la chaleur à travers un conducteur quantique de taille nanométrique.

Dans les conducteurs de très petites dimensions, le transport des électrons s’effectue au travers de canaux de conduction quantiques d’autant moins nombreux que le système est petit. Quel que soit le système, tous les canaux quantiques individuels présentent un débit maximal, qu’il s’agisse de courant électrique ou de transport de la chaleur. Cette limite quantique est maintenant bien connue pour le courant électrique et est aux fondements du transport quantique de l’électricité dans les nanocircuits. Pour la première fois, des physiciens du CNRS et de l’Université Paris Diderot travaillant au Laboratoire de Photonique et de Nanostructures - LPN (CNRS) ont déterminé expérimentalement la limite quantique du courant de chaleur à travers un canal de conduction électronique unique. Ce travail qui représente un premier pas vers la manipulation quantique de la chaleur, est publié dans la revue Science.

Pour parvenir à ce résultat les physiciens ont injecté quelques femtowatt (10-15 W) de puissance dans une plaque métallique micrométrique. À très basse température, quelques centièmes de degrés au-dessus du zéro absolu (-273.14°C), cette puissance est principalement évacuée par deux très petits conducteurs quantiques dont le nombre de canaux de conduction est contrôlé in-situ par effet de champ, en appliquant une tension à des grilles adjacentes. L’augmentation de température dans la plaque micrométrique, qui résulte de l’équilibre entre la puissance injectée et le flux de chaleur sortant, est déterminée par la mesure des fluctuations de courant électrique au moyen d’amplificateurs extrêmement performants fonctionnant à des températures cryogéniques et entièrement développées au laboratoire LPN. La limite quantique du flux de chaleur correspond alors à la quantité de puissance supplémentaire à injecter pour maintenir la température de la plaque constante lorsqu’un canal de conduction additionnel est complètement ouvert. Ce résultat fondamental, en excellent accord avec les prédictions théoriques, ouvre la voie vers la manipulation quantique de la chaleur dans les nanocircuits électroniques.

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Dispositif utilisé pour mesurer le flux quantique de la chaleur à travers un canal électronique. Quelques fW (femto-watt) de puissance sont injectés dans une plaque métallique de dimensions micrométriques (marron). A très basses températures, cette puissance est évacuée principalement via deux très petits conducteurs quantiques (jaunes).


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Schéma du dispositif expérimental

Quantum Limit of Heat Flow Across a Single Electronic Channel, S. Jezouin1, F. D. Parmentier1, A. Anthore1,2, U. Gennser1, A. Cavanna1, Y. Jin1 et F. Pierre1, Science 342, 601 (2013)

  • La publication fait également l’objet d’un article "Perpective" dans la revue Science : Quantized Electronic Heat Flow, B. Sothmann et C. Flindt, Science 342, 569 (2013)

Contact chercheur

Frédéric Pierre, chargé de recherche CNRS

Informations complémentaires

1 Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN)
2 Département de Physique de l’Université Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr