Un estudio publicado en Avances de la ciencia informes sobre la observación inesperada de ondas térmicas en germanio, un material semiconductor, por primera vez. Este fenómeno puede permitir una mejora significativa en el rendimiento de nuestros dispositivos electrónicos en un futuro próximo. El estudio está liderado por investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB, CSIC) en colaboración con investigadores de la Universitat Autònoma de Barcelona, y la Universidad de Cagliari.

Calor, según lo que sabemos, se origina en la vibración de los átomos, y transferencias por difusión a temperatura ambiente. Desafortunadamente, es bastante difícil de controlar, y conduce a estrategias de manipulación simples e ineficaces. Esta es la razón por, por ejemplo, se pueden acumular grandes cantidades de calor residual en nuestras computadoras, teléfonos móviles y, en general, la mayoría de los dispositivos electrónicos.

Sin embargo, si el calor se transportara a través de olas, como la luz, ofrecería nuevas alternativas para controlarlo, especialmente a través de las propiedades únicas e intrínsecas de las olas.

Las ondas térmicas se han observado hasta la fecha solo en pocos materiales, como helio sólido o, más recientemente, en grafito. Ahora, el estudio publicado en Avances de la ciencia por investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB, CSIC) en colaboración con investigadores de la Universitat Autònoma de Barcelona, y la Universidad de Cagliari, informes sobre la observación de ondas térmicas en germanio sólido, un material semiconductor utilizado típicamente en electrónica, similar al silicio, ya temperatura ambiente. "No se esperaba encontrar estos efectos ondulantes, conocido como segundo sonido, en este tipo de material, y en estas condiciones, "dice Sebastián Reparaz, Investigador del ICMAB del Grupo de Materiales Nanoestructurados para Optoelectrónica y Cosecha de Energía (NANOPTO) y líder de este estudio.

La observación ocurrió al estudiar la respuesta térmica de una muestra de germanio bajo el efecto de láseres, produciendo una onda de calentamiento oscilante de alta frecuencia en su superficie. Los experimentos demostraron que, al contrario de lo que se creía hasta ahora, el calor no se disipó por difusión, pero se propagó al material a través de ondas térmicas.

Aparte de la observación en sí, en el estudio, los investigadores dan a conocer el enfoque para desbloquear la observación de ondas térmicas, posiblemente en cualquier sistema material.

¿Qué es el segundo sonido y cómo se puede observar en cualquier material?

Observado por primera vez en la década de 1960 en helio sólido, transporte térmico a través de olas, conocido como segundo sonido, ha sido un tema recurrente para investigadores que han intentado reiteradamente demostrar su existencia en otros materiales. Las recientes demostraciones exitosas de este fenómeno en grafito han revitalizado su estudio experimental.

"El segundo sonido es el régimen térmico donde el calor puede propagarse en forma de ondas térmicas, en lugar del régimen difusivo observado con frecuencia. Este tipo de transporte térmico ondulatorio tiene muchas de las ventajas que ofrecen las olas, incluidas la interferencia y la difracción ", dice el investigador del ICMAB Sebastián Reparaz.

"Los efectos de onda se pueden desbloquear impulsando el sistema en un campo de temperatura que varía rápidamente. En otras palabras, un campo de temperatura que varía rápidamente fuerza la propagación del calor en el régimen ondulatorio ", explica Reparaz, y agrega, "La conclusión interesante de nuestro trabajo es que estos efectos ondulatorios podrían ser potencialmente observados por la mayoría de los materiales a una frecuencia de modulación suficientemente grande del campo de temperatura. Y, lo que es aún más interesante, su observación no se limita a algunos materiales específicos ".

Aplicaciones del segundo sonido en un futuro próximo

"Las posibles aplicaciones del segundo sonido son ilimitadas", dice Sebastián Reparaz. Lograr estas aplicaciones, sin embargo, Requerirá una comprensión profunda de las formas de desbloquear este régimen de propagación térmica en cualquier material dado. Poder controlar la propagación del calor a través de las propiedades de las ondas abre nuevas formas de diseñar las próximas generaciones de dispositivos térmicos, de forma similar a los desarrollos ya establecidos para la luz. "Específicamente, el segundo régimen térmico de sonido podría usarse para repensar cómo lidiar con el calor residual ", él añade.

Desde un punto de vista teórico, "estos hallazgos permiten unificar el modelo teórico actual, que hasta ahora consideraba que los materiales donde se observaba este tipo de comportamiento ondulatorio (como el grafito) eran muy diferentes a los materiales semiconductores que se utilizan actualmente en la fabricación de chips electrónicos (como el silicio y el germanio) ”, dice F. Xavier Álvarez, investigador de la UAB. Ahora todos estos materiales se pueden describir utilizando las mismas ecuaciones. Esta observación establece un nuevo marco teórico que puede permitir en un futuro no muy lejano una mejora significativa en el rendimiento de nuestros dispositivos electrónicos, "agrega Álvarez.