Interférence et atténuation des phonons dans une nanostructure périodique
honon interference and attenuation in a periodic nanostructure
Valentina Giordano et Stéphane Pailhès (équipe Energie), en collaboration avec des collègues de Lyon et Trieste, ont publié un article intitulé "The effect of echoes interference on phonon attenuation in a nanophononic membrane" dans la revue Nature Communications.
Valentina Giordano and Stéphane Pailhès (Energy team), with colleagues from Lyon and Trieste, have published an article entitled "The effect of echoes interference on phonon attenuation in a nanophononic membrane" in the journal Nature Communications.
Un des moyens de contrôler le transport de la chaleur est de structurer la matière à des échelles comparables aux longueurs d’ondes des particules élémentaires responsables du transport thermique par les vibrations des atomes, « les phonons ». En présence d’une nanostructure périodique, on observe des phénomènes d’interférence pour des phonons qui ont des longueurs d’onde comparables à la taille de la nanostructure et bien plus grande que la rugosité des interfaces. Cela est à l’origine d’une profonde modification de leurs propriétés individuelles (énergie et longueur d’onde), et d’un effet, dit « cohérent », sur le transport thermique.
Les auteurs ont mesuré les propriétés de tels phonons dans une membrane nanophononique de SiN, nanostructurée avec un réseau ordonné de pores, en utilisant la technique de Réseau Transitoire par au Laser à électrons libres FERMI. En combinant les mesures avec des simulations à éléments finis, ils ont montré que l’interférence entre ses réflexions aux interfaces est à l’origine d’une forte atténuation du phonon, et d’une forte réduction de son libre parcours moyen, tandis que le flux d’énergie est préservé grâce à une transmission d’énergie de réflexion à réflexion.
Les auteurs ont mesuré les propriétés de tels phonons dans une membrane nanophononique de SiN, nanostructurée avec un réseau ordonné de pores, en utilisant la technique de Réseau Transitoire par au Laser à électrons libres FERMI. En combinant les mesures avec des simulations à éléments finis, ils ont montré que l’interférence entre ses réflexions aux interfaces est à l’origine d’une forte atténuation du phonon, et d’une forte réduction de son libre parcours moyen, tandis que le flux d’énergie est préservé grâce à une transmission d’énergie de réflexion à réflexion.
An efficient strategy for controlling thermal transport is to structure matter at the nanoscale, comparable with the wavelength of the elemental quasiparticles responsible for heat transfer via the atomic vibrations, « phonons ». In presence of a periodic nanostructure, interference phenomena arise for phonons with wavelengths comparable to the nanostructure lengthscale and longer than the interface roughness. This leads to profound modifications in phonons individual properties (energy and wavelength) and to a so-called “coherent effect” on thermal transport.
The authors have measured the properties of such phonons in a nanophononic SiN membrane, nanostructured with an ordered pores lattice, using the Extreme Ultraviolet Transient Grating technique at the Free Electron Laser FERMI. By combining their results with finite element simulations, they have shown that, interference among reflections at the interfaces is at the origin of a strong phonon attenuation and reduction of its mean free path, while the energy transport is conserved thanks to an energy hopping among reflections.
The authors have measured the properties of such phonons in a nanophononic SiN membrane, nanostructured with an ordered pores lattice, using the Extreme Ultraviolet Transient Grating technique at the Free Electron Laser FERMI. By combining their results with finite element simulations, they have shown that, interference among reflections at the interfaces is at the origin of a strong phonon attenuation and reduction of its mean free path, while the energy transport is conserved thanks to an energy hopping among reflections.
La distance de propagation du phonon (bleu) est comparée à celle du flux d’énergie (magenta) pour longueurs d’onde comparable à la taille de la nanostructure. Une large region est identifiée où l’interférence réduit la première mais seulement faiblement la deuxième.
The propagation distance of phonon (blue) is compared to that of energy flux (magenta) for wavelength comparable to nanostructure size. A broad region is identified where interferences reduces the former but not the latter.