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ACTUALITES

Jon Canosa 18/12/2025 – « Nanophononique quantique à basse température: vers une manipulation de la chaleur à l’échelle nanométrique »

Jon Canosa

Le 18 décembre 2025 à 14h00
Amphithéâtre LCI

Jury :
  • M. Ilari MAALSITA, Professeur des universités , Jyvaskyla, Rapporteur
  • Mme Florence RAZAN, Professeure des universités , ENS Rennes, Rapporteure
  • Mme Séverine Gomes, Directrice de Recherche, CETHIL, Examinatrice
  • Mme Xin ZOU, Chargée de recherche, IEMN,, Examinatrice
  • M. Jean-François ROBILLARD, Enseignant-Chercheur, Junia, Lille, Directeur de thèse
  • M. Emmanuel DUBOIS, Directeur de recherche CNRS, ISEN-IEMN, Lille, Invité
  • M. Olivier BOURGEOIS,Directeur de Recherche CNRS, Institut Néel , Grenoble, Invité
Résumé :
Le transport thermique à l’échelle nanométrique fait depuis longtemps l’objet de recherches, en raison de son importance tant en physique fondamentale que dans les applications pratiques. D’une part, il existe encore un important déficit de connaissances dans ce domaine, en particulier dans les systèmes nanométriques à très basse température (jusqu’à 1 K ou moins). Dans ces conditions, le libre parcours moyen (Λ) et la longueur d’onde dominante (λ_DOM) des phonons deviennent comparables ou supérieurs à la taille de l’échantillon, ce qui permet d’accéder aux régimes de transport balistique et cohérent des phonons. D’autre part, la miniaturisation des dispositifs électroniques et les nouvelles tendances en matière de circuits intégrés à l’échelle nanométrique ont introduit des défis importants en matière de gestion thermique. Cela devient de plus en plus important pour les applications dans les ordinateurs quantiques ou le développement des technologies cryo-CMOS. Le projet Hanibal a pour objectif d’approfondir les connaissances sur les différents régimes de transport thermique et d’étudier certains phénomènes intéressants observés dans ce domaine, tels que la rectification thermique, la réduction de la conductance thermique dans les systèmes à cristaux phononiques et la quantification du transport thermique. Être capable de démontrer ces mécanismes de transport thermique contre-intuitifs signifie convertir de minuscules quantités d’énergie en une quantité mesurable. Pour atteindre ces objectifs, des dispositifs thermiques suspendus à base de silicium ont été fabriqués. Ces dispositifs sont produits à partir de plaquettes de silicium sur isolant (SOI) à l’aide de techniques de micro/nanofabrication, principalement la lithographie par faisceau électronique et la gravure à sec (RIE, ICP-RIE). Des fils supraconducteurs en NbTi garantissent l’absence de chauffage parasite pendant le contrôle du dispositif, tandis que la détection est assurée par de fines couches de NbN, atteignant des sensibilités de l’ordre du femtowatt (10⁻15 W). Divers échantillons (nanofils et membranes à motifs 2D) ont été fabriqués pour les études prévues. Ce travail est mené en collaboration avec le CEA-LITEN (pour les simulations théoriques) et l’Institut Néel (pour la fabrication des échantillons et les mesures par réfrigérateur à dilution). À l’Institut Néel, des échantillons à base de SiN ont également été produits afin de comparer le comportement du SixNy amorphe à celui du Si cristallin. Contrairement à ces attentes, les membranes asymétriques à motifs phononiques à base de SiN présentent un taux de rectification reproductible d’environ 20 % en dessous de 4 K, démontrant un transport de chaleur directionnel avec une application potentielle.Les résultats pour nos échantillons à base de silicium seront présentés. En résumé, la haute sensibilité de ces dispositifs de thermométrie et leur capacité à accueillir plusieurs types d’échantillons entre les réservoirs permettront de faire progresser les capacités expérimentales en matière de mesures de transport thermique à basse température. Dans cette soutenance de thèse, nous discuterons des principaux défis scientifiques et technologiques du projet, mettrons en avant les dispositifs entièrement finis et la méthode de mesure. Les premières données de rectification thermique seront présentées. Enfin, nous esquisserons les perspectives d’avenir pour la caractérisation des échantillons et les pistes de recherche.

Abstract:

Thermal transport at the nanoscale has long been the subject of research, due to its importance in both fundamental physics and practical applications. On the one hand, there is still a significant knowledge gap in this field, particularly in nanoscale systems at very low temperatures (down to 1 K or less). Under these conditions, the mean free path (Λ) and dominant wavelength (λ_DOM) of phonons become comparable to or larger than the sample size, allowing access to ballistic and coherent phonon transport regimes. On the other hand, the miniaturization of electronic devices and new trends in nanoscale integrated circuits have introduced significant challenges in thermal management. This is becoming increasingly important for applications in quantum computers or the development of cryo-CMOS technologies. The Hanibal project aims to deepen knowledge of the different thermal transport regimes and study some interesting phenomena observed in this field, such as thermal rectification, thermal conductance reduction in phononic crystal systems, and thermal transport quantization.

Being able to demonstrate these counterintuitive heat transfer mechanisms means converting tiny amounts of energy into a measurable quantity. To achieve these goals, silicon-based suspended thermal devices have been fabricated. These devices are produced from silicon-on-insulator (SOI) wafers using micro/nanofabrication techniques, primarily electron beam lithography and dry etching (RIE, ICP-RIE). NbTi superconducting wires ensure that there is no parasitic heating during device control, while detection is provided by thin layers of NbN, achieving sensitivities in the femtowatt range (10⁻¹⁵ W). Various samples (nanowires and 2D patterned membranes) have been fabricated for the planned studies. This work is being carried out in collaboration with CEA-LITEN (for theoretical simulations) and the Néel Institute (for sample fabrication and dilution refrigerator measurements). At the Institut Néel, SiN-based samples were also produced in order to compare the behavior of amorphous SixNy with that of crystalline Si. Contrary to expectations, asymmetric phononic-patterned membranes based on SiN exhibit a reproducible rectification rate of approximately 20% below 4 K, demonstrating directional heat transport with potential applications.

The results for our silicon-based samples will be shown. In summary, the high sensitivity of these thermometry devices and their ability to accommodate multiple sample types between reservoirs will advance experimental capabilities in low-temperature heat transport measurements. In this thesis defense, we will discuss the main scientific and technological challenges of the project, highlight the fully finished devices and the measurement method. The first thermal rectification data will be presented. Finally, we will outline the future prospects for sample characterization and avenues for research.

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