En la carretera de transferencia de calor, la energía térmica se mueve mediante partículas cuánticas llamadas fonones. Pero en la nanoescala de los semiconductores más avanzados de la actualidad, esos fonones no eliminan suficiente calor. Es por eso que los investigadores de la Universidad Purdue se centran en abrir un nuevo carril a nanoescala en la autopista de transferencia de calor mediante el uso de cuasipartículas híbridas llamadas "polaritones".

A Thomas Beechem le encanta la transferencia de calor. Habla de ello en voz alta y orgullosa, como un predicador en un avivamiento en una gran carpa.

"Tenemos varias formas de describir la energía", dijo Beechem, profesor asociado de ingeniería mecánica. "Cuando hablamos de luz, la describimos en términos de partículas llamadas 'fotones'. El calor también transporta energía de maneras predecibles, y describimos esas ondas de energía como "fonones". Pero a veces, dependiendo del material, los fotones y los fonones se unen y forman algo nuevo llamado "polaritón". Transporta energía a su manera, distinta de los fotones o fonones."

Al igual que los fotones y los fonones, los polaritones no son partículas físicas que puedas ver o capturar. Son más bien formas de describir el intercambio de energía como si fueran partículas.

¿Aún estás confuso? ¿Qué tal otra analogía? "Los fonones son como vehículos de combustión interna y los fotones son como vehículos eléctricos", dijo Beechem. "Los Polaritons son un Toyota Prius. Son un híbrido de luz y calor, y conservan algunas de las propiedades de ambos. Pero son algo especial".

Los polaritones se han utilizado en aplicaciones ópticas, desde vidrieras hasta pruebas de salud en el hogar. Pero su capacidad para mover calor se ha ignorado en gran medida, porque su impacto sólo se vuelve significativo cuando el tamaño de los materiales se vuelve muy pequeño. "Sabemos que los fonones realizan la mayor parte del trabajo de transferencia de calor", dijo Jacob Minyard, Ph.D. estudiante en el laboratorio de Beechem.

"El efecto de los polaritones sólo es observable a nanoescala. Pero hasta ahora nunca hemos necesitado abordar la transferencia de calor a ese nivel, debido a los semiconductores".

"Los semiconductores se han vuelto increíblemente pequeños y complejos", continuó. "Las personas que diseñan y construyen estos chips están descubriendo que los fonones no dispersan eficientemente el calor en estas escalas tan pequeñas. Nuestro artículo demuestra que en esas escalas de longitud, los polaritones pueden contribuir con una mayor proporción de conductividad térmica".

Su investigación sobre polaritones ha sido seleccionada como artículo destacado en el Journal of Applied Physics. .

"Nosotros, en la comunidad de transferencia de calor, hemos sido muy específicos de los materiales al describir el efecto de los polaritones", dijo Beechem. "Alguien lo observará en este material o en esa interfaz. Todo es muy dispar. El artículo de Jacob ha establecido que esto no es algo aleatorio. Los polaritones comienzan a dominar la transferencia de calor en cualquier superficie de menos de 10 nanómetros. Eso es el doble de grande como los transistores en un iPhone 15."

Ahora Beechem se entusiasma mucho. "Básicamente, hemos abierto un carril adicional en la autopista. Y cuanto más pequeñas se vuelven las escalas, más importante se vuelve este carril adicional. A medida que los semiconductores continúan reduciéndose, debemos pensar en diseñar el flujo de tráfico para aprovechar ambos. carriles:fonones y polaritones."

El artículo de Minyard apenas toca la superficie de cómo esto puede suceder en la práctica. La complejidad de los semiconductores significa que existen muchas oportunidades para sacar provecho de diseños compatibles con polaritones. "Hay muchos materiales involucrados en la fabricación de chips, desde el propio silicio hasta los dieléctricos y los metales", dijo Minyard. "El camino a seguir en nuestra investigación es comprender cómo se pueden utilizar estos materiales para conducir el calor de manera más eficiente, reconociendo que los polaritones proporcionan un camino completamente nuevo para mover la energía".

Al reconocer esto, Beechem y Minyard quieren mostrar a los fabricantes de chips cómo incorporar estos principios de transferencia de calor a nanoescala basados ​​en polaritones directamente en el diseño físico del chip, desde los materiales físicos involucrados hasta la forma y el grosor de las capas.

Si bien este trabajo es teórico ahora, la experimentación física está en el horizonte, razón por la cual Beechem y Minyard están felices de estar en Purdue.

"La comunidad de transferencia de calor aquí en Purdue es muy sólida", dijo Beechem. "Podemos literalmente subir las escaleras y hablar con Xianfan Xu, quien tuvo una de las primeras realizaciones experimentales de este efecto. Luego, podemos caminar hasta Flex Lab y preguntarle a Xiulin Ruan sobre su trabajo pionero en la dispersión de fonones. Y tenemos las instalaciones aquí en el Centro de Nanotecnología Birck para construir experimentos a nanoescala y utilizar herramientas de medición únicas para confirmar nuestros hallazgos. Es realmente el sueño de un investigador".

Más información: Jacob Minyard et al, Características de los materiales que rigen la conductancia térmica de fonones-polaritones en el plano, Journal of Applied Physics (2023). DOI:10.1063/5.0173917

Información de la revista: Revista de Física Aplicada

Proporcionado por la Universidad Purdue