Comment les transistors thermiques pourraient contrôler les appareils MEM

Ces dernières années, les ingénieurs ont commencé à concevoir et tester des transistors thermiques avec un certain succès. Leur objectif est d'exercer le même contrôle sur la chaleur qu'ils ont déjà sur le courant électrique - la capacité de l'allumer et de l'éteindre, de la moduler et même de l'amplifier.

Cela serait extrêmement utile pour gérer la dissipation thermique mais aussi pour créer des portes logiques thermiques capables de traiter les informations sous forme de chaleur.

Les transistors thermiques construits jusqu'à présent fonctionnent tous en modulant le flux de phonons, ou vibrations thermiques, d'un matériau à un autre. Pour que cela fonctionne, les matériaux doivent être en contact physique les uns avec les autres.

Mais il existe une autre façon pour la chaleur de s'écouler - par transfert radiatif. Dans ce cas, la chaleur s'écoule avec le passage des photons thermiques d'un matériau à un autre. Dans ce cas, les matériaux n'ont pas besoin d'être en contact physique.

Aujourd'hui, Philippe Ben-Abdallah de l'Université Paris-Sud en France et Svend-Age Biehs de la Carl von Ossietzky Universität en Allemagne, dévoilent le premier transistor thermique fonctionnant sur des photons thermiques. Le gros avantage de cet appareil est qu'il fonctionne à une vitesse beaucoup plus élevée que les transistors à phonons, potentiellement à la vitesse de la lumière.

La conception est simple. Le transistor se compose de trois parties, que Ben-Abdallah et Biehs appellent la source, le drain et la grille, par analogie à un transistor conventionnel. La source et le drain sont en silice et maintenus à des températures différentes pour créer un gradient de température.

La source, plus chaude que le drain, émet des photons thermiques qui transfèrent la chaleur au drain.

Cependant, ces matériaux sont séparés par une fine couche d'oxyde de vanadium, qui fait office de grille. Chacune de ces trois couches est également séparée les unes des autres par un écart d'environ 50 nanomètres pour garantir que le transfert de chaleur est uniquement radiatif.

L'oxyde de vanadium a la propriété intéressante de passer d'un conducteur de photons à un isolant lorsqu'il se refroidit. (La température critique à laquelle cela se produit est appelée température de transition de Mott.)

L'astuce derrière le transistor de Ben-Abdallah et Biehs est de maintenir la couche d'oxyde de vanadium proche de sa température de transition. Lorsque le matériau agit comme un isolant, les photons thermiques ne peuvent pas passer et le transistor se comporte comme un interrupteur qui est éteint.

Mais en élevant la température de l'oxyde de vanadium au-dessus de son point de transition, le transistor est allumé et commence à conduire des photons thermiques. Ainsi, une petite variation de la température de la porte entraîne une modification spectaculaire du flux de chaleur à travers l'appareil. Voila, un transistor thermique !

C'est une idée intelligente que Ben-Abdallah et Biehs ont développée en un appareil fonctionnel qu'ils testent dans leur article. Ils montrent comment utiliser ce transistor pour moduler le flux de chaleur, pour allumer et éteindre le flux et même pour amplifier le flux, tout comme un transistor électronique ordinaire.

Ce genre de travail pourrait avoir des applications importantes. Ben-Abdallah et Biehs parlent de portes logiques thermiques et de mémoires thermiques pour le stockage et le traitement des informations thermiques. Et ils disent que ces appareils devraient avoir des propriétés attrayantes. Le concept actuel autorise des vitesses opérationnelles beaucoup plus élevées (vitesse de la lumière) et devrait être très compétitif par rapport aux précédents, disent-ils.

Mais il existe également d'autres utilisations, comme dans les machines microélectromécaniques où la chaleur peut être utilisée pour déplacer des dispositifs microscopiques tels que des porte-à-faux. La possibilité d'activer et de désactiver ce mouvement à l'aide de transistors thermiques est une idée à fort potentiel.

Le moment où nous verrons ces types de transistors en action n'est pas clair. Mais la technologie est disponible maintenant, donc le plus tôt est une forte possibilité.

Réf : arxiv.org/abs/1310.0002 : Transistor thermique en champ proche

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