En physique il est aisé de réchauffer avec nos techniques actuelles, par exemple avec un four micro-onde l’énergie est apporté de manière rapide et se chauffe un solide quasiment instantanément. L’énergie est apportée par un rayonnement. Cependant lorsqu’il s’agit de refroidir ce solide rapidement, la technologie actuelle quotidienne ne permet pas de le faire rapidement.
La température correspond au mouvement d’ensemble des particules qui compose le système. Plus le système contient des particules qui sont excitées (qui bougent dans tout les sens) plus l’objet sera chaud.
L’enjeux serait donc « ralentir » le mouvement de particules ou molécules qui sont excitées dans toutes les directions. Or il faut donc comprendre que ces mouvements sont dans tout les sens. Une idée pour freiner le mouvement chaotique des particules est de lui donner de la vitesse dans le sens opposée d’où elle se dirige : si la particule se dirige vers le haut il faut lui donner de la vitesse selon le bas. Mais le mouvement d’une particule est aléatoire (chaotique) et ne dépend pas de variables faciles à mesurer, autrement dit il faudrait donner de la vitesse à chaque particule dans la bonne direction sans connaitre leur direction dans une source macroscopique ? Vu comme ça impossible.
Mais il est possible de refroidir pourtant avec un frigidaire par exemple. En réalité ce qu’il ce passe c’est que chaque particules va céder de sa quantité de mouvement à une particule plus froide. Comme une boule avec les boules de billard, lorsque la balle blanche tape sur un boule de couleur, la boule blanche ralenti et transfert sa vitesse à l’autre boule de couleur. De la même manière la particule chaude va taper sur une froide et donc perdre de la vitesse est donc le mouvement d’ensemble va diminuer (si la particule froide ne fait pas parti de l’objet à refroidir). Le objet réchauffe l’air froid pour perdre en température. Puis l’air est constamment refroidi par une pompe à chaleur.
Ce mode de refroidissement (ou d’échange thermique) est appelé la conduction. Il est particulièrement lent. Il existe aussi deux autre mode de transfert : la convection et le rayonnement. Le rayonnement est de loin le plus rapide (dans des conditions normales) car il va être émit de façon très rapide. Ce qu’il faut comprendre est que la diffusion de la chaleur est bien plus lente et ne peut être (ou difficilement) accéléré contrairement au processus de rayonnement ou la puissance est liée à la vitesse de changement de température.
L’effet anti-stokes
Dans un atome, le photon et l’électron interagissent comme expliqué dans l’article suivant à la section partie bleu de la flamme. L’électron peut absorber ou émettre un photon. Dans certains cas l’électron absorbé va transmettre son énergie à l’atome en vibration (ce qui est de la chaleur) dans certains cas la vibration de l’atome va être transmise à l’électron qui va gagner en énergie et aller sur un niveau plus élevé. En soit l’atome peut échanger de la chaleur en énergie pour l’électron. Une fois l’électron sur un niveau plus élevé, il peut émettre un photon de plus haute énergie par rapport aux cas ou il n’avait pas absorbé la vibration : l’énergie de la vibration part dans le photon !
Ici la diffusion (scattering) de Rayleigh est le phénomène de base où l’électron est à son énergie de base et émet un photon de même énergie, pas d’échange entre le solide et l’extérieur. La diffusion anti-Stokes, montre que l’énergie de l’électron est plus haute, par transfert entre excitation de l’atome et l’électron, et perd son énergie par le photon : il y a bien un échange entre le solide et l’extérieur.
Expérience de pensée
On cherche a faire un micro-onde inversé, c’est à dire utiliser des ondes pour refroidir. Pour ce faire il faudrait trouver un matériau et des ondes qui ont une fréquence qui « s’accordent », c’est à dire qu’il faut que les niveaux énergétiques de l’atome permettent de prendre des phonons (des vibrations de chaleur) et d’être exactement sur un niveau d’énergie qui correspond à l’énergie des photons à la longueur d’onde $\lambda$.
Une fois ce matériau trouvé, on y mettrait la substance à refroidir, il suffirait de construire une enceinte qui émet des ondes électromagnétiques à la bonne fréquence et les faire réfléchir sur le matériau en question pour qu’il lui « vole » de l’énergie. Ce phénomène permettrait de refroidir la surface du matériau et non pas l’intérieur, parce qu’il faut que les photons d’énergie soit expulsés de la substance, seul les photons de surface peuvent partir du matériau.
En pratique
En pratique cette expérience a déjà été menée mais avec des lasers. Les lasers sont des ondes électromagnétiques très puissante focalisée, ce qui permet d’avoir des résultat concrets. Voici pour ceux qui veulent une référence : article. Les principaux résultats sont une baisse de $6 \mathrm{°C}$ en dix minutes avec $20 \mathrm{W}$ ce qui est déjà très impressionnant. Ce n’est pas encore plus rapide que le frigidaire mais il y a une plus faible puissance que dans les micro-ondes. Les études permettrons peut être un jour de faire un micro-onde inversé !
