Une équipe de chercheurs de l’Université de Nanjing et de l’Université Tsinghua a démontré une manière fondamentalement nouvelle de refroidir des dispositifs nanométriques en utilisant simplement un faisceau laser et deux couches semiconductrices atomiquement fines. L’approche, décrite dans Nature le 24 juin, crée une différence de température de plus de 100 kelvin à travers un écart de moins d’un nanomètre, un gradient thermique suffisamment abrupt pour ouvrir de nouvelles possibilités de refroidissement sur puce dans les dispositifs quantiques et l’électronique ultra-mince.
Le mécanisme, que les chercheurs appellent refroidissement par transfert de charge interfacial (ICT), représente une rupture avec le fonctionnement du refroidissement laser depuis des décennies.
Un type de refroidissement différent
Le réfrigérateur optique conventionnel, également connu sous le nom de refroidissement par photoluminescence à conversion ascendante, fonctionne en projetant un laser sur un matériau qui réémet l’énergie absorbée sous forme de photons de plus haute énergie. Comme les photons émis emportent plus d’énergie que ceux absorbés, le matériau refroidit. Le problème est que ce processus nécessite une efficacité quantique externe quasi parfaite, le matériau doit réémettre presque chaque photon qu’il absorbe, sans quasiment aucun échauffement parasite. Seule une poignée de matériaux, comme les nanorubans de sulfure de cadmium et certains halogénures de pérovskite, peuvent répondre à cette norme, et encore seulement dans des conditions de résonance soigneusement ajustées.
Le refroidissement ICT fonctionne selon un principe entièrement différent. Les chercheurs ont construit des empilements de deux dichalcogénures de métaux de transition (TMD) différents, plus précisément des hétérobicouches de diséléniure de tungstène (WSe₂) associées soit au diséléniure de molybdène (MoSe₂), soit au disulfure de tungstène (WS₂). Chaque couche a une épaisseur de trois atomes.
Voici ce qui se produit. Un laser à onde continue excite des paires électron-trou dans la couche de WSe₂. Ces porteurs photoexcités traversent ensuite une jonction à alignement de bande de type II vers la couche adjacente de MoSe₂ ou WS₂. Le transfert de charge est exceptionnellement rapide, environ 56 femtosecondes à température ambiante dans le système WSe₂/WS₂. Mais surtout, le transfert n’est pas adapté en quantité de mouvement. L’électron doit gagner de l’énergie à partir des vibrations du réseau de WSe₂, les phonons, pour surmonter la barrière énergétique à l’interface. Cette absorption de phonons refroidit directement le réseau de WSe₂.
Parallèlement, l’interface elle-même agit comme une barrière thermique. Les simulations de dynamique moléculaire montrent que la résistance thermique interfaciale est énorme, augmentant de manière exponentielle avec la distance intercouche. Cela empêche la chaleur de revenir de la couche acceptrice vers la couche donneuse refroidie, maintenant ainsi le gradient.
Ce qui a réellement été accompli
Les auteurs rapportent la création d’une différence de température dépassant 100 kelvin entre les couches de WSe₂ et MoSe₂ sous excitation laser. L’ampleur exacte dépend de la méthode de mesure : la thermométrie Raman de la couche de WSe₂ montre un refroidissement de plusieurs kelvin par rapport à l’ambiante, tandis que le gradient de température à travers l’intervalle intercouche subnanométrique, extrapolé à partir de simulations et soutenu par les signatures de photoluminescence et Raman, dépasse 100 K. L’effet de refroidissement a été confirmé par trois signatures spectroscopiques indépendantes : une baisse du rapport d’intensité Raman anti-Stokes/Stokes, un décalage vers le bleu de la photoluminescence et une diminution de la température électronique extraite du spectre d’émission.
Le mécanisme présente plusieurs avantages pratiques par rapport au réfrigérateur optique conventionnel. Il ne nécessite pas d’excitation résonante, l’effet de refroidissement persiste sur une large gamme de longueurs d’onde de 1,7 à 2,0 électronvolts (environ 620 à 730 nanomètres). Il tolère une large gamme de puissances laser. Et surtout, il ne dépend pas du rendement quantique de photoluminescence : un refroidissement a été observé même dans du WSe₂ déposé par dépôt chimique en phase vapeur avec un rendement quantique de seulement 0,1 %, bien en dessous de l’efficacité proche de l’unité requise pour le refroidissement par conversion ascendante.
Le point idéal de couplage
L’effet dépend de l’obtention de ce que l’équipe appelle un état de « couplage intermédiaire » entre les deux couches. En contrôlant précisément la distance intercouche et l’angle de torsion grâce à un empilement par transfert à sec aligné, ils créent un régime dans lequel le transfert de charge reste efficace tout en préservant le désaccord de quantité de mouvement nécessaire à l’absorption des phonons. Un couplage trop fort (faible distance intercouche, forte hybridation) supprime le désaccord de quantité de mouvement et annule l’effet. Un couplage trop faible (grande séparation, interaction négligeable) empêche un transfert de charge efficace.
L’équipe a identifié trois régimes de couplage : faible (étiqueté T pour tribologique, interaction intercouche négligeable), le point idéal (H pour hétérobicouche, couplage intermédiaire) et fort (S pour fortement hybridé). Seul le régime intermédiaire H produit l’effet de refroidissement.
Ce que cela permet
Les applications potentielles concernent la gestion thermique à l’échelle nanométrique. Les systèmes de refroidissement cryogénique actuels pour dispositifs quantiques nécessitent des cryostats volumineux qui limitent la miniaturisation et l’intégration. Une méthode de refroidissement sur puce qui fonctionne à l’échelle de quelques nanomètres et ne nécessite qu’une source laser pourrait changer la façon dont la gestion thermique est conçue dans les systèmes optoélectroniques quantiques, l’électronique ultra-mince et les circuits photoniques densément intégrés. Les matériaux utilisés, WSe₂, MoSe₂, WS₂, sont parmi les semiconducteurs TMD les plus étudiés et peuvent être fabriqués par des méthodes standard.
Mises en garde
La démonstration reste au niveau du flocon d’hétérostructure unique. La mise à l’échelle vers des réseaux de dispositifs pratiques n’a pas été abordée. L’effet de refroidissement est plus fort lorsque l’hétérobicouche est suspendue et isolée du substrat, un substrat thermiquement conducteur agit comme un dissipateur thermique et réduit l’efficacité, ce qui signifie que les dispositifs pratiques nécessiteront une ingénierie d’isolation thermique minutieuse. La résistance thermique interfaciale qui permet le gradient limite également la vitesse à laquelle la chaleur peut être extraite de la couche refroidie, plafonnant potentiellement la puissance de refroidissement en régime permanent.
Le mécanisme n’a été démontré que dans deux combinaisons de matériaux : WSe₂/MoSe₂ et WSe₂/WS₂. La question de savoir s’il se généralise à d’autres paires de TMD ou à d’autres familles de matériaux 2D, comme le phosphore noir ou les composés III-VI, reste à démontrer.
Le premier auteur Jiamin Lin de l’Université de Nanjing et les co-premiers auteurs Baixu Xiang et Renguang Liu de l’Université Tsinghua, ainsi que les auteurs correspondants Weigao Xu, Qihua Xiong et Huajian Gao, ont démontré un mécanisme physique véritablement nouveau pour le refroidissement laser. Le gradient de température lui-même n’atteint peut-être pas encore les chiffres phares que le refroidissement optique traditionnel peut atteindre dans ses meilleurs matériaux, mais le mécanisme, sa large tolérance en longueur d’onde, sa tolérance aux impuretés, fonctionnant dans la famille la plus courante de semiconducteurs 2D, ouvre une boîte à outils de génie thermique qui n’existait pas auparavant.
Source : Lin J, Xiang B, Liu R, et al. Optical cooling by interfacial charge transfer in 2D heterostructures. Nature. Publié en ligne le 24 juin 2026. doi:10.1038/s41586-026-10662-w
Traduit par Lydie