Transport de phonons dans le régime quantique

par Adib Tavakoli-Ghinani

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Sous la direction de Olivier Bourgeois.

Soutenue le 14-12-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Hervé Courtois.

Le jury était composé de Eddy Collin, Jean-François Robillard.

Les rapporteurs étaient Ilari Maasilta, Sébastien Volz.


  • Résumé

    Ce travail de thèse est consacré à la mesure de transport de chaleur par les phonons dans le régime quantique dans des systèmes confinés à très basse température.Le contexte de ce sujet est de soumettre ces systèmes à deux conditions extrêmes : basse température et faibles dimensions et de comprendre les propriétés thermiques fondamentales issues de ces limites.Les échantillons étudiés au cours de cette thèse sont des structures suspendues (membrane ou nanofil) ; elles sont élaborées à partir de nitrure de silicium amorphe (SiN).En abaissant la température, les longueurs caractéristiques des phonons comme le libre parcours moyen ou la longueur d'onde dominante des phonons augmentent. Lorsque ces longueurs caractéristiques dépassent les dimensions latérales du système, la diffusion sur les surfaces (boundary scattering) régira les propriétés thermiques. Dans cette limite de diffusion, le transport des phonons va de la diffusion aux surfaces (régime de Casimir) au régime balistique (limite quantique). Dans ce régime balistique, le courant de chaleur peut être exprimé en utilisant le modèle de Landauer. La conductance thermique est alors exprimée par: K=N_α q T où, N_α est le nombre de modes vibratoires peuplés, q=((π²k_B^2)T)⁄3h est la valeur universelle du quantum de conductance thermique et T est le coefficient de transmission.Dans ce travail, les mesures de conductance thermique de nanofils suspendus ont été effectuées jusqu'à très basse température. Une plate-forme de mesure ayant une sensibilité sans précédent a été développée pour mesurer la variation d'énergie inférieure à l'attojoule. Ces nouveaux capteurs permettent de mesurer les propriétés thermiques du guide d'onde de phonon 1D dans le régime quantique du transport de chaleur. Nous montrons que le coefficient de transmission est le facteur dominant qui définit la valeur de conductance thermique. Ce coefficent dépend de la dimension et de la forme des réservoirs ainsi que de la nature du matériau utilisé ce qui rend difficile la mesure du quantum de conductance thermique. Nous montrons que dans toutes les structures de SiN mesurées, le transport thermique pourrait être dominé par des excitations de faible énergie qui existent dans les solides amorphes (a-solides).Le deuxième ensemble important d'expériences concerne la chaleur spécifique. Nous avons étudié les propriétés thermiques de membranes suspendues de SiN très minces que l'on pense être des cavités de phonon 2D. Nous montrons que la dépendance en température de la chaleur spécifique s'écarte du comportement quadratique comme prévu à très basse température. Les modèles pertinents donnant une explication quantitative des résultats sont encore à l'étude. La présence de systèmes à deux niveaux dans les matériaux amorphes pourrait être une explication possible de la valeur absolue élevée de la chaleur spécifique observée.

  • Titre traduit

    Phonon transport in the quantum regime


  • Résumé

    This PhD entitles Phonon heat transport in the quantum regime is based on the analysis of the thermal properties of confined systems at very low temperature.The context of this subject is putting the systems in two extreme conditions (low temperature and low dimensions) and understand the fundamental thermal properties coming from these limits.The studied samples during this PhD that are suspended structures (membrane or nanowire) are elaborated from amorphous silicon nitride.By lowering the temperature, the phonon characteristic lengths like the mean free path or the phonon dominant wavelength increase. When these characteristic lengths exceed lateral dimensions of the system, the boundary scattering will govern the thermal properties. In the boundary scattering, phonon transport goes from boundary limited scattering (Casimir regime) to ballistics regime (quantum limit). In this ballistic regime, the heat current can be expressed using the Landauer model. The thermal conductance is then expressed as: K=N_α q T where N_α is the number of populated vibrational modes, q=((π²k_B^2)T)⁄3h is the universal value of quantum of thermal conductance, and T is the transmission coefficient.In this work, thermal conductance measurements of suspended nanowires have been performed down to very low temperature. A measurement platform having an unprecedented sensitivity have been developed that can measure a variation of energy smaller than the attojoule. These new sensors allow the measurement of thermal properties of 1D phonon waveguide in the quantum regime of heat transport. We show that the transmission coefficient is the dominant factor that set the thermal conductance value. It depends on the dimension and the shape of the reservoirs, and the nature of the material in use rendering difficult the measurement of the quantum of thermal conductance. We show that in all of the SiN structures, the thermal transport could be dominated by low energy excitations that exist in amorphous solids (a-solids).The second important set of experiments concerns the specific heat. We have studied suspended the thermal properties of very thin SiN membranes that are thought to be 2D phonon cavities. We show that the temperature dependence of the specific heat departs from the quadratic behavior as expected at very low temperature. The true models giving a quantitative explanation of the results is still under consideration. The presence of tunneling two-level systems in amorphous materials could be one possible explanation for the high absolute value of specific heat that has been measured.


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