Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour contrôler les émissions thermiques au niveau d’une interface conçue. Représentée ici sous la forme d’une ligne rouge ondulée, l’interface peut être conçue sous n’importe quelle forme. Crédit : Fourni par Coskun Kocabas/Université de Manchester et Sahin Ozdemir/Penn State
Les chercheurs affirment que des interfaces finement conçues offrent des approches de conception innovantes qui vont au-delà des matériaux traditionnels, avec des applications potentielles dans l'optique infrarouge, la détection et d'autres domaines.
Les chercheurs ont mis au point une méthode permettant de contrôler avec précision les émissions thermiques, transformant potentiellement les technologies de gestion thermique et de camouflage. Cette approche innovante, utilisant la topologie et la photonique non hermitienne, est très prometteuse pour les applications dans la technologie satellitaire et au-delà.
Si un matériau absorbe la lumière, il se réchauffe. Cette chaleur doit aller quelque part, et la capacité de contrôler où et quelle quantité de chaleur est émise peut protéger, voire cacher des appareils tels que les satellites. Des chercheurs d'une équipe internationale, dont des membres de Penn State, ont mis au point une nouvelle technique pour réguler ce dégagement de chaleur. Ils pensent que leur méthode présente un potentiel important pour faire progresser les technologies de gestion thermique et de camouflage thermique.
L'équipe a récemment publié ses conclusions dans Science.
Dirigée par des chercheurs du National Graphene Institute de l'Université de Manchester en Angleterre et du Penn State College of Engineering aux États-Unis, avec des experts de l'Université Koc en Turquie et de l'Université de technologie de Vienne en Autriche, l'équipe a démontré un moyen de construire une interface qui relie deux surfaces avec des propriétés géométriques différentes pour localiser les émissions thermiques des deux surfaces, permettant ainsi un émetteur thermique « parfait ». Cela signifie que la plate-forme conçue peut émettre de la lumière thermique à partir de zones d'émission confinées et désignées avec une émissivité unitaire, ou que la plate-forme émet le rayonnement thermique le plus puissant possible à cette température.
« Nous avons démontré une nouvelle classe de dispositifs thermiques utilisant des concepts issus de la topologie – une branche des mathématiques étudiant les propriétés des objets géométriques – et de la photonique non hermitienne, qui est un domaine de recherche florissant étudiant la lumière et son interaction avec la matière en présence de pertes, gain optique et certaines symétries », a déclaré l'auteur correspondant Coskun Kocabas, professeur de matériaux pour dispositifs 2D à l'Université de Manchester.
Réalisations et défis
L’équipe a déclaré que ces travaux pourraient faire progresser les applications photoniques thermiques afin de mieux générer, contrôler et détecter les émissions thermiques. Une application de ces travaux pourrait concerner les satellites, a déclaré le co-auteur Sahin Ozdemir, professeur de sciences de l'ingénierie et de mécanique à Penn State. Confrontés à une exposition importante à la chaleur et à la lumière, les satellites équipés de l’interface pourraient émettre le rayonnement absorbé avec une émissivité unitaire le long d’une zone spécifiquement désignée, conçue par les chercheurs pour être incroyablement étroite et sous la forme jugée nécessaire.
Mais arriver à ce point n’a pas été simple, selon Ozdemir. Il a expliqué qu'une partie du problème consiste à limiter l'absorbeur-émetteur thermique parfait à l'interface tandis que le reste des structures formant la plate-forme reste « froide », ce qui signifie que ces structures n'absorbent ni n'émettent aucune forme d'énergie.
Les chercheurs peuvent modifier l’épaisseur de la couche de platine, représentée ici sous la forme d’un cercle d’argent, avec un côté plus épais que l’autre. En modifiant l'épaisseur, les deux côtés sont amenés à un point de « couplage critique », où la lumière absorbée par chaque côté peut être émise ensemble au point de rencontre. Ce point de rencontre libère le rayonnement thermique sous la forme déterminée par les chercheurs. Ici, il est représenté par une fine ligne rouge. Crédit : Fourni par Coskun Kocabas/Université de Manchester et Sahin Ozdemir/Penn State
« Construire un absorbeur-émetteur aussi parfait a été un défi majeur », a déclaré Ozdemir.
Il est légèrement plus facile de construire un absorbeur-émetteur à une fréquence souhaitée – par opposition à un absorbeur-émetteur parfait capable d’absorber et d’émettre n’importe quelle fréquence – en piégeant la lumière à l’intérieur d’une cavité optique, ont expliqué les chercheurs. La cavité optique comprend deux miroirs, le premier ne réfléchissant que partiellement la lumière, tandis que le second réfléchit complètement la lumière. Cette configuration permet ce que les chercheurs appellent la « condition de couplage critique », dans laquelle la lumière entrante partiellement réfléchie par le premier miroir et la lumière réfléchie piégée entre les deux miroirs s’annulent exactement. Cela supprime complètement la réflexion, de sorte que le faisceau lumineux reste piégé dans le système, parfaitement absorbé puis émis sous forme de rayonnement thermique.
Conception d'interface innovante
« Nous avons cependant adopté une approche différente dans ce travail, en reliant deux structures avec des topologies différentes, ce qui signifie qu'elles absorbent et émettent des rayonnements différemment », a déclaré Ozdemir. « Les structures ne sont pas au point de couplage critique, elles ne sont donc pas considérées comme un absorbeur-émetteur parfait, mais leur interface présente une absorption et une émission parfaites. »
Pour réaliser une telle interface, les chercheurs ont développé une cavité empilée avec une épaisse couche d’or qui reflète parfaitement la lumière entrante et une fine couche de platine qui peut partiellement réfléchir la lumière entrante. La couche de platine, qui comprend deux épaisseurs distinctes cousues ensemble, agit également comme un absorbeur-émetteur thermique à large bande. Entre les deux miroirs, les chercheurs ont placé un diélectrique transparent, ou matériau isolant de la conductivité électrique, appelé parylène-C.
Les chercheurs peuvent ajuster l’épaisseur de la couche de platine selon les besoins pour induire la condition de couplage critique au niveau de l’interface cousue et piéger la lumière entrante pour qu’elle soit parfaitement absorbée. Ils peuvent également éloigner le système du couplage critique vers un couplage sous- ou supercritique, où une absorption et une émission parfaites ne peuvent pas avoir lieu.
« En réglant finement l'épaisseur de la couche de platine jusqu'à une épaisseur critique d'environ 2,3 nanomètres, nous amenons la cavité à la condition de couplage critique où le système présente une absorption parfaite et, par conséquent, une émission parfaite », a déclaré le premier auteur, M. Said. Ergoktas, chercheur associé en génie des matériaux à l'Université de Manchester. « Ce n’est qu’en cousant deux couches de platine d’épaisseurs inférieures et supérieures à l’épaisseur critique sur la même couche diélectrique que nous pouvons créer une interface topologique de deux cavités où l’absorption et l’émission parfaites sont confinées. Un point crucial ici est que les cavités formant l’interface ne se trouvent pas dans des conditions de couplage critiques, mais que l’interface elle-même l’est.
Ce développement remet en question la compréhension conventionnelle des émissions thermiques dans ce domaine, selon le co-auteur Stefan Rotter, chercheur à l'Université de technologie de Vienne en Autriche.
« Chaque objet chaud rayonne de la chaleur sous la forme d'une lumière incohérente et aléatoire », a déclaré Rotter. « Traditionnellement, on pensait que le rayonnement thermique ne pouvait pas avoir de propriétés topologiques en raison de sa nature incohérente. »
Ce travail a cependant démontré que l'émission thermique peut être conçue pour avoir des caractéristiques topologiques, ce qui peut créer des états de lumière fortement confinés qui n'émettent qu'à partir de l'interface topologique entre deux surfaces. Les chercheurs ont déclaré qu'ils pouvaient également concevoir les paramètres de l'interface sous n'importe quelle forme, depuis une ligne étroite jusqu'à quelque chose de plus compliqué, comme le contour du Royaume-Uni.
Selon Kocabas, leur approche de la construction de systèmes topologiques de contrôle des rayonnements est facilement accessible aux scientifiques et aux ingénieurs.
« Cela peut être aussi simple que de créer un film divisé en deux régions d'épaisseurs différentes de telle sorte qu'un côté satisfasse au couplage sous-critique et que l'autre soit dans le régime de couplage supercritique, divisant le système en deux classes topologiques différentes », Kocabas dit.
L'interface réalisée présente une émissivité thermique parfaite, qui est protégée par la topologie de réflexion et « fait preuve de robustesse contre les perturbations et les défauts locaux », selon le co-auteur Ali Kecebas, chercheur postdoctoral à Penn State. L'équipe a utilisé des expériences et des simulations numériques pour confirmer les caractéristiques topologiques du système, ainsi que la physique non hermitienne qui sous-tend le fonctionnement du système.
Parmi les contributeurs figurent Sina Soleymani, qui a obtenu un doctorat en sciences de l'ingénierie et en mécanique de Penn State en 2021, lorsque les premières phases de ce travail ont été achevées ; Konstantinos Despotelis, Gokhan Bakan et Alessandro Principi, Université de Manchester ; et Askin Kocabas, Université Koc, Turquie.
Le Conseil européen de la recherche, Consolidator Grant, le prix de l'Initiative de recherche universitaire multidisciplinaire (MURI) du Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force sur les systèmes programmables avec dynamique quantique non hermitienne et le prix du Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force ont soutenu ce travail.
