Phonon transport in the quantum regime

Transport de phonons dans le régime quantique 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.