Los investigadores están aplicando el mismo "modelo de transporte hidrodinámico" utilizado para estudiar el flujo en fluidos para explicar el transporte de calor en un semiconductor sólido. con posibles implicaciones para el diseño de transistores y láseres de alta velocidad.

Las imágenes térmicas de diminutas fuentes de calor semiconductoras a nanoescala revelaron detalles sobre los vórtices de los objetos portadores de calor llamados fonones.

Los nuevos hallazgos tienen implicaciones potencialmente importantes para la "diafonía térmica, "en el que varias fuentes de calor una al lado de la otra impactan la temperatura general del sistema, obstaculizar el rendimiento. Los investigadores utilizaron una técnica llamada imágenes térmicas de termorreflectancia de campo completo para visualizar directamente los cambios de temperatura producidos por fuentes de calor ultrapequeñas. tiras de oro formadas en la parte superior del semiconductor arseniuro de galio indio.

La investigación se refiere al papel crucial de los fonones, objetos de mecánica cuántica, o "cuasipartículas, "que describen cómo viajan las vibraciones a través de la estructura cristalina de un material. Se dice que los fonones son" portadores de calor "en materiales sólidos.

"Esta es la primera vez que estos efectos hidrodinámicos se observan indirectamente para la propagación del calor en un sólido, "dijo Ali Shakouri, Mary Jo de Purdue University y Robert L. Kirk Director del Birck Nanotechnology Center y profesor de ingeniería eléctrica e informática. "Si bien las estructuras llamadas vórtices son comunes en los flujos de fluidos como el agua o el aire, esta es la primera vez que vemos que pueden estar presentes dentro de los sólidos para el flujo de fonones en el típico semiconductor indio arseniuro de galio, que se utiliza en transistores y láseres de alta velocidad ".

Los hallazgos se detallan en un artículo de investigación que aparece el 17 de enero en Comunicaciones de la naturaleza .

"La reducción de la diafonía térmica observada tiene implicaciones importantes en el diseño de dispositivos optoelectrónicos y electrónicos a nanoescala, "dijo Amirkoushyar Ziabari, asociado de investigación postdoctoral de Purdue, el autor principal del artículo. "A medida que el tamaño de los dispositivos electrónicos y optoelectrónicos se reduce, cada vez hay más dispositivos empaquetados en un área más pequeña, por lo que la diafonía térmica entre estos dispositivos se vuelve importante. Conocer el comportamiento térmico preciso en el vecindario y algunas micras de las fuentes de calor ayudaría a diseñar mejores dispositivos de última generación en términos de rendimiento. velocidad, fiabilidad térmica, etcétera."

Los investigadores encontraron que la diafonía térmica reducida es causada por vórtices generados cerca del borde de las fuentes de calor.

"Esto es similar a los vórtices que se observan al borde de un obstáculo colocado dentro de una corriente de aire o agua, como detrás del ala de un avión, "Dijo Shakouri.

La ley que rige la conducción del calor, conocida como la ley de Fourier o la ecuación de difusión de calor, no predice con precisión el transporte térmico para dispositivos a nanoescala. Debido a que la ecuación de difusión de Fourier no explica el transporte de calor a esas escalas, este régimen de transporte se denomina no difusivo.

"A medida que el tamaño de los dispositivos electrónicos y optoelectrónicos se reduce, Es importante considerar este comportamiento no difusivo para el diseño y optimización de dispositivos tan pequeños. ", Dijo Ziabari." Estas nuevas mediciones muestran que a nanoescalas, la propagación del calor tiene un comportamiento 'similar a un fluido' interesante ".

Los métodos convencionales no tienen en cuenta los vórtices de transporte de calor que se encuentran a nanoescala.

"La vorticidad solo se vuelve importante cuando la dimensión característica de la fuente es comparable a la escala de longitud hidrodinámica de aproximadamente 150 nanómetros, " él dijo.

La teoría de Fourier sobreestima sustancialmente la temperatura observada experimentalmente a una corta distancia de las líneas del calentador.

"El efecto sorprendente fue que la temperatura decae mucho más rápido de lo que predijo la teoría de Fourier, ", Dijo Shakouri." A una distancia de 1 o 2 micrones de una pequeña fuente de calor, una línea de unos 100 nanómetros de ancho, la temperatura podría ser de un tercio a un cuarto de lo que predice la teoría de Fourier ".

El enfoque de imágenes térmicas de termorreflectancia permite a los investigadores crear mapas de aumento de temperatura con una resolución mucho más alta de lo que sería posible de otra manera utilizando luz en el rango visible.