En hallazgos que podrían ayudar a superar un importante obstáculo tecnológico en el camino hacia la electrónica más pequeña y poderosa, un equipo de investigación internacional que involucra a investigadores de ingeniería de la Universidad de Michigan, ha mostrado las formas únicas en que el calor se disipa en las escalas más pequeñas.

Un artículo sobre la investigación se publica en la edición del 13 de junio de Naturaleza .

Cuando una corriente atraviesa un material que conduce electricidad, genera calor. Comprender dónde aumentará la temperatura en un sistema electrónico ayuda a los ingenieros a diseñar computadoras de alto rendimiento, teléfonos móviles y dispositivos médicos, por ejemplo. Si bien se comprende bien la generación de calor en circuitos más grandes, La física clásica no puede describir la relación entre el calor y la electricidad en el extremo final de la nanoescala, donde los dispositivos tienen aproximadamente un nanómetro de tamaño y constan de unos pocos átomos.

En las próximas dos décadas, Se espera que los investigadores en ciencias de la computación e ingeniería trabajen a esta escala "atómica", según Pramod Reddy, Profesor asistente de la U-M de ingeniería mecánica y ciencia e ingeniería de materiales que dirigió la investigación.

"Con un tamaño de 20 o 30 nanómetros, las regiones activas de los transistores actuales tienen dimensiones muy pequeñas, "Dijo Reddy." Sin embargo, si la industria sigue el ritmo de la ley de Moore y sigue reduciendo el tamaño de los transistores para duplicar su densidad en un circuito, las escalas atómicas no están muy lejos.

"Lo más importante entonces, es comprender la relación entre el calor disipado y la estructura electrónica del dispositivo, en ausencia de lo cual realmente no se puede aprovechar la escala atómica. Este trabajo da una idea de eso por primera vez ".

Los investigadores han demostrado experimentalmente cómo se calienta un sistema a escala atómica, y en qué se diferencia del proceso a macroescala. También idearon un marco para explicar el proceso.

En lo tangible mundo macroescala, cuando la electricidad viaja a través de un cable, todo el cable se calienta, al igual que todos los electrodos a lo largo de él. A diferencia de, cuando el "cable" es una molécula del tamaño de un nanómetro y solo conecta dos electrodos, la temperatura sube predominantemente en uno de ellos.

"En un dispositivo a escala atómica, todo el calor se concentra en un lugar y menos en otros lugares, "Dijo Reddy.

Para lograr esto, Los investigadores del laboratorio de Reddy —los estudiantes de doctorado Woochul Lee y Wonho Jeong y el becario postdoctoral Kyeongtae Kim— desarrollaron técnicas para crear dispositivos estables a escala atómica y diseñaron y construyeron un termómetro a nanoescala personalizado integrado en un dispositivo en forma de cono. Las moléculas individuales o átomos quedaron atrapados entre el dispositivo en forma de cono y una placa delgada de oro para estudiar la disipación de calor en circuitos prototípicos a escala molecular.

"Los resultados de este trabajo también establecen firmemente la validez de una teoría de la disipación de calor que fue propuesta originalmente por Rolf Landauer, un físico de IBM, "Dijo Reddy." Además, Los conocimientos obtenidos de este trabajo también permiten una comprensión más profunda de la relación entre la disipación de calor y los fenómenos termoeléctricos a escala atómica, que es la conversión de calor en electricidad ".