Los dispositivos electrónicos y sus componentes son cada vez más pequeños. A través de su investigación doctoral en el Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Aalto, Tomi Ruokola ha examinado cómo se podría controlar y utilizar el calor generado por los componentes electrónicos.

Hay poca investigación en el área de los flujos de calor y su control. El estudio de Ruokola aborda las cuestiones básicas del campo:¿cómo se produce la transferencia de calor de un punto a otro y cómo se puede controlar este flujo en circuitos electrónicos que se acercan a la nanoescala?

"Los flujos de calor son considerablemente más difíciles de controlar que las corrientes eléctricas. El calor es energía pura, la electricidad, por otro lado, son cargas que pueden medirse con precisión. Los flujos de calor no son directamente accesibles de la misma manera, lo que dificulta la investigación experimental, "explica Ruokola.

Ruokola ha diseñado dos dispositivos mesoscópicos —un tamaño entre macroscópico y microscópico— para el transporte de calor. Se basan en fenómenos de un solo electrón:el movimiento de electrones individuales a través del sistema construido. Los electrones llevan además de su carga eléctrica, una cantidad arbitraria de calor.

"Cuanto menor sea la escala de dispositivos y componentes, los fenómenos de nivel más cuántico pasan a primer plano. Esto también requiere nuevas ideas y métodos para la transferencia de calor ".

Junto con el investigador Teemu Ojanen de O.V. Laboratorio Lounasmaa en la Universidad de Aalto, Ruokola desarrolló un diodo de un solo electrón, un rectificador, lo que permite que el calor fluya solo en una dirección y bloquea el flujo hacia la otra. La idea proviene del conocido componente electrónico de función similar.

"El flujo entre diferentes temperaturas es normalmente simétrico:el flujo va de un punto más caliente a uno más frío, ya que las temperaturas buscan equilibrarse entre sí. Si queremos controlar los flujos, necesitamos manipularlos para que fluyan en la dirección deseada. Los diodos que presentamos son ideas sobre cómo generar un flujo de calor fuertemente asimétrico ".

"El diodo que desarrollamos funcionó notablemente bien en comparación con la literatura existente, "dice Ruokola.

Las aplicaciones innovadoras requieren investigación experimental

Ruokola dice que la investigación básica a nivel nanométrico de los flujos de calor se ve gravemente frenada por la falta de configuraciones experimentales.

"La motivación detrás de mi investigación fue sobre todo el deseo y la necesidad de comprender los fenómenos básicos y el control de la transferencia y los flujos de calor".

Si se resolvieran los problemas de la investigación básica y la experimentación, las futuras aplicaciones en nanoelectrónica serían sobresalientes.

Las computadoras podrían funcionar con corrientes de calor en lugar de electricidad, y la gran cantidad de calor residual en las granjas de servidores podría capturarse y convertirse ya a nivel de microchip. Los microchips más pequeños que un nanómetro también funcionarían a temperatura ambiente; hacer uso de fenómenos de nivel cuántico ya no requeriría temperaturas cercanas al cero absoluto.

"Estos, por supuesto, están fuera de su alcance, al menos una década, o décadas, lejos."

No obstante, a Ruokola le intriga la utilización del calor residual. Como se describe en su disertación, construyó una máquina térmica termoeléctrica, que vuelve a poner en funcionamiento la energía térmica residual. En el motor, los flujos de carga de electrones que hacen el trabajo y los flujos de fotones que transfieren calor pueden separarse entre sí.

"En motores térmicos y energía residual, el principal problema suele ser la eficiencia del uso de la energía. Sin embargo, cuando hay abundancia de calor residual, lo más importante no es la eficiencia, sino la máxima potencia que se puede extraer del calor, "Señala Ruokola.

"Siempre que haya un punto frío y caliente en el microchip, el flujo de calor entre ellos se puede devolver al chip como trabajo útil ".

En los diodos, el principal problema es la transferencia de grandes corrientes. En los sistemas de un solo electrón construidos por Ruokola, las corrientes y los niveles de potencia son, por supuesto, bajos. Sistemas similares de alta interacción —y con grandes corrientes— serían de gran demanda.

"Estos son los problemas básicos que aún no se han resuelto en el control del flujo de calor en la nanoelectrónica. Aún queda mucho por entender en la teoría básica, "cree Ruokola.