Una colaboración de físicos y químicos liderada por la UA ha descubierto que la temperatura se comporta de formas extrañas e inesperadas en el grafeno. un material que tiene a los científicos entusiasmados por su potencial para nuevos dispositivos tecnológicos que van desde la informática hasta la medicina.

Imagínese poner una sartén en la estufa y encender el fuego, solo para descubrir que en algunos puntos la mantequilla no se derrite porque parte de la sartén permanece a temperatura ambiente. Lo que parece un escenario imposible en la cocina es exactamente lo que sucede en el extraño mundo de la física cuántica, investigadores de la Universidad de Arizona han descubierto.

Los resultados, publicado en la revista científica Revisión física B , sugieren que los efectos cuánticos juegan un papel en la forma en que el calor se mueve a través de un material, desafiando la noción clásica de que el calor simplemente se difunde de un punto caliente a un punto frío hasta que la temperatura es la misma en todas partes.

El control cuántico de temperatura a nivel de microescala podría algún día habilitar nuevas tecnologías, por ejemplo, en informática, vigilancia ambiental y medicina.

"Nadie ha visto estos efectos cuánticos en la propagación de la temperatura antes, "dijo Charles Stafford, profesor del Departamento de Física de la UA y coautor del artículo. "La difusión de calor siempre se ha considerado un proceso que no se puede afectar. Por lo general, un patrón de puntos calientes y fríos dentro de un material sería eliminado por el flujo inexorable de calor desde los puntos calientes a los puntos fríos adyacentes ".

No en el extraño mundo del grafeno. El material:una hoja de átomos de carbono unidos en forma hexagonal, estructura de alambre de gallinero:es una gran promesa para la microelectrónica. Solo un átomo delgado y altamente conductor, el grafeno podría algún día reemplazar los microchips de silicio convencionales, hacer dispositivos más pequeños, más rápido y con mayor eficiencia energética. Además de las posibles aplicaciones en circuitos integrados, células solares, biodispositivos miniaturizados y sensores de moléculas de gas, el material ha atraído la atención de los físicos por sus propiedades únicas en la conducción de electricidad a nivel atómico.

"Descubrimos que los electrones que transportan calor se propagan como ondas cuánticas bidimensionales, "Stafford dijo, "y se prevé que las ondas en esas olas conducirán a puntos calientes y fríos que persisten, volando en contra de nuestra comprensión diaria de la temperatura y el flujo de calor ".

Y lo que es más, "el tamaño de estas ondas se puede controlar en el grafeno, de modo que este extraño fenómeno debería ser observable con microscopios térmicos de barrido de última generación, ofreciendo una vista única de la naturaleza de la temperatura y el transporte de calor a nivel cuántico, "escriben los autores.

"En otras palabras, esto no es solo un resultado conceptual, pero debería poder observar este fenómeno con las técnicas de laboratorio actuales, "Dijo Stafford.

Después de predecir tipos similares de ondas de temperatura a lo largo de moléculas individuales, demasiado pequeñas para aplicaciones tecnológicas, en simulaciones por computadora publicadas anteriormente, Stafford y su equipo ahora proporcionan la base para observar la transferencia de calor cuántica con la tecnología disponible.

"Bajo ciertas condiciones, uno podría hacer que estas longitudes de onda sean de 20 nanómetros o más, Bien en el ámbito de la resolución actual de microscopía térmica de barrido, "Dijo Stafford.

Si bien los autores enfatizan que su artículo no trata sobre aplicaciones inmediatas, el descubrimiento de puntos calientes y fríos que coexisten en la misma hoja de grafeno podría ofrecer formas de utilizar el grafeno como un conductor de calor cuántico para enfriar dispositivos electrónicos.

"A medida que los dispositivos se hacen cada vez más pequeños, hay un gran impulso en la tecnología para poder gestionar la temperatura a un nivel de nanoescala, ", Dijo Stafford." Por ejemplo, si queremos mejorar el hardware de procesamiento, necesitamos entender el flujo de calor a ese nivel, y eso requiere que llevemos nuestra comprensión del pizarrón de la física teórica a ser reconocidos en un laboratorio ".

Las mediciones de temperatura con resolución nanométrica son tecnológicamente necesarias, por ejemplo, caracterizar el rendimiento térmico y los mecanismos de falla de los dispositivos semiconductores, o para investigar la transferencia de calor biológico a nivel molecular para el tratamiento del cáncer o enfermedades cardiovasculares.

"A través del transporte cuántico de calor, Debería ser posible lograr un enfriamiento puntual a nivel de microescala que sería imposible de lograr mediante el transporte de calor clásico, ", Explicó Stafford." En una arquitectura informática típica de chips bidimensionales, hay que drenar el exceso de calor a lo largo de los bordes, y eso se vuelve cada vez más difícil a medida que todo se vuelve cada vez más pequeño. Si en lugar de tener que enfriar toda la estructura pudieras enfriar selectivamente ciertos procesos microscópicamente pequeños en el chip, sería una gran ventaja ".

Es más, los efectos cuánticos pueden ofrecer nuevos métodos para sortear los desafíos tecnológicos de larga data, lo que sugiere que la investigación de los efectos térmicos "sensibles a la fase" podría abrir la puerta a los dispositivos de transporte de calor de ingeniería cuántica.