Un equipo de físicos de CU Boulder ha resuelto el misterio detrás de un fenómeno desconcertante en el ámbito nano:por qué algunas fuentes de calor ultrapequeñas se enfrían más rápido si las empaqueta más juntas. Los resultados, publicado hoy en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ), algún día podría ayudar a la industria de la tecnología a diseñar dispositivos electrónicos más rápidos que se sobrecalienten menos.

"A menudo, el calor es una consideración desafiante en el diseño de dispositivos electrónicos. Construye un dispositivo y luego descubre que se está calentando más rápido de lo deseado, "dijo el coautor del estudio Joshua Knobloch, asociado de investigación postdoctoral en JILA, un instituto de investigación conjunto entre CU Boulder y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). "Nuestro objetivo es comprender la física fundamental involucrada para que podamos diseñar dispositivos futuros para administrar de manera eficiente el flujo de calor".

La investigación comenzó con una observación inexplicable:en 2015, Los investigadores dirigidos por los físicos Margaret Murnane y Henry Kapteyn en JILA estaban experimentando con barras de metal que eran muchas veces más delgadas que el ancho de un cabello humano sobre una base de silicona. Cuando calentaron esas barras con un láser, Ocurrió algo extraño.

"Se comportaron de forma muy contraria a la intuición, "Dijo Knobloch." Estas fuentes de calor a nanoescala no suelen disipar el calor de manera eficiente. Pero si los empaqueta muy juntos, se enfrían mucho más rápido ".

Ahora, los investigadores saben por qué sucede.

En el nuevo estudio, utilizaron simulaciones por computadora para rastrear el paso del calor de sus barras de tamaño nanométrico. Descubrieron que cuando colocaban las fuentes de calor juntas, las vibraciones de energía que producían comenzaron a rebotar entre sí, dispersando el calor y enfriando las barras.

Los resultados del grupo destacan un desafío importante en el diseño de la próxima generación de dispositivos diminutos, como microprocesadores o chips de computadora cuántica:cuando se reduce a escalas muy pequeñas, el calor no siempre se comporta como crees que debería.

Átomo por átomo

Importa la transmisión de calor en los dispositivos, agregaron los investigadores. Incluso los pequeños defectos en el diseño de la electrónica, como los chips de computadora, pueden permitir que la temperatura aumente, agregando desgaste a un dispositivo. A medida que las empresas de tecnología se esfuerzan por producir productos electrónicos cada vez más pequeños, Tendrán que prestar más atención que nunca a los fonones, vibraciones de átomos que transportan calor en sólidos.

"El flujo de calor implica procesos muy complejos, haciéndolo difícil de controlar, "Dijo Knobloch." Pero si podemos entender cómo se comportan los fonones a pequeña escala, luego podemos adaptar su transporte, permitiéndonos construir dispositivos más eficientes ".

Para hacer precisamente eso Murnane y Kapteyn y su equipo de físicos experimentales unieron fuerzas con un grupo de teóricos dirigido por Mahmoud Hussein, profesor del Departamento de Ciencias de la Ingeniería Aeroespacial de Ann y H.J. Smead. Su grupo se especializa en simular, o modelado, el movimiento de los fonones.

"A escala atómica, la naturaleza misma de la transferencia de calor emerge bajo una nueva luz, "dijo Hussein, quien también tiene una cita de cortesía en el Departamento de Física.

Los investigadores, esencialmente, recrearon su experimento de varios años antes, Pero esta vez, completamente en una computadora. Modelaron una serie de barras de silicio, colocados uno al lado del otro como los listones en una vía de tren y los calentaron.

Las simulaciones fueron tan detalladas, Knobloch dijo:que el equipo podría seguir el comportamiento de todos y cada uno de los átomos del modelo, millones de ellos en total, de principio a fin.

"Realmente estábamos superando los límites de la memoria de la supercomputadora Summit en CU Boulder, " él dijo.

Dirigir el calor

La técnica dio sus frutos. Los investigadores encontraron, por ejemplo, que cuando separaron sus barras de silicona lo suficiente, el calor tendía a escapar de esos materiales de una manera predecible. La energía se filtró de las barras al material debajo de ellas, disipándose en todas direcciones.

Cuando las barras se acercaron, sin embargo, sucedió algo más. A medida que el calor de esas fuentes se dispersó, efectivamente obligó a esa energía a fluir más intensamente lejos de las fuentes, como una multitud de personas en un estadio que se empujan entre sí y finalmente saltan por la salida. El equipo denotó este fenómeno como "canalización térmica direccional".

"Este fenómeno aumenta el transporte de calor hacia el sustrato y lejos de las fuentes de calor, "Dijo Knobloch.

Los investigadores sospechan que los ingenieros algún día podrían aprovechar este comportamiento inusual para comprender mejor cómo fluye el calor en la electrónica pequeña, dirigiendo esa energía a lo largo de una ruta deseada. en lugar de dejarlo correr libre y salvaje.

Por ahora, los investigadores ven el último estudio como lo que los científicos de diferentes disciplinas pueden hacer cuando trabajan juntos.

"Este proyecto fue una colaboración tan emocionante entre la ciencia y la ingeniería, donde los métodos avanzados de análisis computacional desarrollados por el grupo de Mahmoud fueron críticos para comprender el comportamiento de los nuevos materiales descubiertos anteriormente por nuestro grupo utilizando nuevas fuentes de luz cuántica ultravioleta extrema". "dijo Murnane, también profesor de física.

Otros coautores de CU Boulder en la nueva investigación incluyen a Hossein Honarvar, investigador postdoctoral en ciencias de la ingeniería aeroespacial y JILA y Brendan McBennett, estudiante de posgrado en JILA. Los ex investigadores de JILA Travis Frazer, Begoña Abad y Jorge Hernandez-Charpak también contribuyeron al estudio.