au sommaire
Un des problèmes auxquels sont confrontés les concepteurs d'ordinateursordinateurs cherchant à réaliser des machines plus rapides et plus puissantes est celui de la production de chaleur engendrée par les processus de calcul. C'est pour cette raison que l'on a dû refroidir des supercalculateurs comme les Cray d'abord avec des bains de fréon et plus tard de perfluorocarbures. La course à la miniaturisation et à la puissance des ordinateurs laisse penser que les possibilités offertes par le silicium pour maintenir la fameuse loi de Moore vont bientôt montrer leurs limites. Ainsi, beaucoup de recherches se concentrent sur le matériau miracle qu'est le graphènegraphène, dans l'espoir d'obtenir des composants électroniques de nouvelle génération.
Le graphène possède d'excellentes capacités de conduction du courant électriquecourant électrique. Or, bien souvent, comme le montre l'exemple du cuivre, un matériau bon conducteur de l'électricité est aussi un bon conducteur de la chaleur. Il y a une exception notable, le diamant, un isolant, mais qui était jusqu'à la découverte du graphène le meilleur conducteur de chaleur connu. Il n'est donc pas étonnant que dans le cadre de leur exploration des propriétés électroniques du graphène, les physiciensphysiciens se soient aussi penchés sur ses propriétés thermiques. Certains chercheurs ont d'ailleurs déjà proposé de se servir du graphène pour refroidir plus efficacement des ordinateurs, car il permettrait de dissiper rapidement de la chaleur à l'extérieur des composants électroniques.
Le graphène et la loi de Fourier
Un groupe de physiciens du Max PlanckMax Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) à Mayence, en Allemagne, et de l'université nationale de Singapour vient de faire une étonnante découverte sur la conductibilitéconductibilité thermique du graphène. Comme ils l'expliquent dans un article publié dans Nature, elle semble ne pas avoir de limite et augmente en fonction du logarithme de la taille de l'échantillon de graphène utilisé. Ce comportement est singulier, car il contredit la fameuse loi de Fourier de la conduction de la chaleur.
Le mathématicien français Joseph Fourier (1768-1830) a été à l'origine d'un des domaines les plus féconds des mathématiques : l'analyse harmonique. Elle intervient dans presque toutes les branches de la physique et de l'ingénierie, qui font grand usage des séries et des transformées de Fourier pour analyser les champs et les signaux, y compris le son et les images. Sa théorie de la conduction de la chaleur a influencé le positivisme, le courant philosophique fondé par Auguste Comte et Ernst Mach. © Wikipédia, DP
Rappelons que cette loi avait été découverte et formulée par Joseph FourierJoseph Fourier, le célèbre mathématicienmathématicien et physicien français auteur de l'une des plus importantes et des plus belles découvertes en mathématique et en physiquephysique mathématique. Il s'agit bien sûr de la possibilité de décomposer des fonctions périodiques en sommes et intégrales, que l'on nomme aujourd'hui séries et intégrales de Fourier.
La loi de Fourier permet de formuler une équationéquation décrivant la conduction de la chaleur, et plus précisément l'évolution du champ de température d'un matériau chauffé dans l'espace et dans le temps. Cette loi repose sur l'hypothèse jusque-là vérifiée qu'elle ne dépend pas de la taille d'un matériau homogène considéré (c'est une condition importante). On peut l'exprimer en mots en disant qu'elle affirme que le flux de chaleur en un point d'un tel matériau est donné par le produit d'une constante (la conductibilité thermique) et du taux de variation spatiale de la température. On sait aujourd'hui que cette loi découle de la structure atomique de la matièrematière et de l'énergieénergie. En d'autres termes, ce sont les phonons et les électronsélectrons libres (ou tout autre porteur de charge libre) dans un matériau qui expliquent le transport de la chaleur. Il est donc à priori possible de calculer le coefficient rendant compte de la conductibilité thermique de ce matériau.
Conductibilité thermique idéale pour la nanoélectronique
La puissance des ordinateurs modernes et des algorithmes ingénieux permettent de retrouver parfois ab initio à partir de la connaissance de la structure microscopique d'un matériau ses diverses propriétés, comme justement la valeur de sa conductibilité thermique. Les simulations sur ordinateur avaient permis aux physiciens de prédire que la conductibilité thermique du graphène allait diverger en fonction de l'augmentation de sa taille.
Ce comportement étrange a donc finalement pu être mis en évidence. Il enthousiasme les chercheurs, car il leur permet d'envisager une nanoélectronique avec le graphène non seulement plus rapide, mais aussi moins limitée par le problème de la nécessité de dissipation rapide de la chaleur lorsqu'on veut monter en puissance de calcul.
