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ENS Cachan - Laboratoire de photonique quantique et moléculaire

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Influence du transfert balistique dans le refroidissement d’un nano-objet

Les processus physiques mis en jeu dans le refroidissement d'une nanoparticule suite à son échauffement par absorption d'une impulsion lumineuse impliquent des échanges thermiques entre les électrons, le réseau métallique, le milieu environnant et les particules voisines, échanges caractérisés par une dynamique spécifique. En collaboration avec M. Rashidi-Huyeh de l'université Sistan et Baluchestan (Iran) et S. Volz à l'EM2C (CNRS - Ecole Centrale Paris), nous avons montré que ce refroidissement pouvait, dans certaines conditions, être très différent de ce que prédisent les lois thermiques macroscopiques [1]. En effet, le confinement des porteurs et les petites échelles de temps et d'espace impliquées induisent des comportements différents de ceux connus aux plus grandes échelles.


           


Refroidissement, suite à l'absorption d'une impulsion laser de 100 fs, d'une nanoparticule d'or (rayon : 10 nm) entourée d'une coque d'alumine. L'épaisseur de celle-ci est de l'ordre du libre parcours moyen des phonons thermiques. On calcule par une approche appelée balistique-diffusive (BDE), dérivée de l'équation de Boltzmann dans l'approximation du temps de relaxation, l'évolution temporelle de la température de la nanoparticule dans deux cas extrêmes : paroi externe adiabatique (nanocoque thermiquement isolée) ou thermalisée à l'ambiante. Le résultat du calcul par la loi de Fourier classique pour la diffusion thermique est également reporté pour comparaison.

Ces résultats sont importants non seulement pour l'interprétation de mesures de dynamique par techniques laser pompe-sonde, mais également pour les applications du phénomène de conversion lumière-chaleur nanométrique.

[1] Non-Fourier heat transport in metal-dielectric core-shell nanoparticles under ultrafast laser pulse excitation, M. Rashidi-Huyeh, S. Volz, and B. Palpant, Phys. Rev. B  78, 125408 (2008).