Uno studio pubblicato su Progressi scientifici rapporti sull'osservazione inaspettata delle onde termiche nel germanio, un materiale semiconduttore, per la prima volta. Questo fenomeno potrebbe consentire un significativo miglioramento delle prestazioni dei nostri dispositivi elettronici in un prossimo futuro. Lo studio è condotto da ricercatori dell'Istituto di Scienza dei Materiali di Barcellona (ICMAB, CSIC) in collaborazione con ricercatori dell'Universitat Autònoma de Barcelona, e l'Università di Cagliari.

Calore, come lo conosciamo, nasce dalla vibrazione degli atomi, e trasferimenti per diffusione a temperatura ambiente. Sfortunatamente, è piuttosto difficile da controllare, e porta a strategie di manipolazione semplici e inefficienti. Ecco perché, Per esempio, grandi quantità di calore residuo possono accumularsi nei nostri computer, telefoni cellulari e, generalmente, la maggior parte dei dispositivi elettronici.

Però, se il calore fosse trasportato attraverso le onde, come la luce, offrirebbe nuove alternative per controllarlo, soprattutto attraverso le proprietà uniche e intrinseche delle onde.

Le onde termiche sono state osservate fino ad oggi solo in pochi materiali, come l'elio solido o, più recentemente, in grafite. Ora, lo studio pubblicato su Progressi scientifici dai ricercatori dell'Istituto di Scienza dei Materiali di Barcellona (ICMAB, CSIC) in collaborazione con ricercatori dell'Universitat Autònoma de Barcelona, e l'Università di Cagliari, rapporti sull'osservazione delle onde termiche su germanio solido, un materiale semiconduttore utilizzato tipicamente in elettronica, simile al silicio, e a temperatura ambiente. "Non ci si aspettava di incontrare questi effetti ondulatori, noto come secondo suono, su questo tipo di materiale, e in queste condizioni, "dice Sebastián Reparaz, Ricercatore ICMAB presso il gruppo Nanostructured Materials for Optoelectronics and Energy Harvesting (NANOPTO) e leader di questo studio.

L'osservazione è avvenuta studiando la risposta termica di un campione di germanio sotto l'effetto di laser, producendo un'onda di calore oscillante ad alta frequenza sulla sua superficie. Gli esperimenti hanno mostrato che, contrariamente a quanto si credeva fino ad ora, il calore non si disperde per diffusione, ma si è propagato nel materiale attraverso onde termiche.

A parte l'osservazione stessa, nello studio, i ricercatori svelano l'approccio per sbloccare l'osservazione delle onde termiche, possibilmente in qualsiasi sistema materiale.

Cos'è il secondo suono e come può essere osservato in qualsiasi materiale

Osservato per la prima volta negli anni '60 su elio solido, trasporto termico attraverso le onde, noto come secondo suono, è stato un argomento ricorrente per i ricercatori che più volte hanno cercato di dimostrarne l'esistenza in altri materiali. Le recenti dimostrazioni di successo di questo fenomeno sulla grafite hanno rivitalizzato il suo studio sperimentale.

"Il secondo suono è il regime termico in cui il calore può propagarsi sotto forma di onde termiche, invece del regime diffusivo frequentemente osservato. Questo tipo di trasporto termico ondulatorio presenta molti dei vantaggi offerti dalle onde, comprese le interferenze e la diffrazione", afferma il ricercatore ICMAB Sebastián Reparaz.

"Gli effetti ondulatori possono essere sbloccati guidando il sistema in un campo di temperatura che varia rapidamente. In altre parole, un campo di temperatura che varia rapidamente forza la propagazione del calore nel regime ondulatorio" spiega Reparaz, e aggiunge, "La conclusione interessante del nostro lavoro è che questi effetti simili a onde potrebbero essere potenzialmente osservati dalla maggior parte dei materiali a una frequenza di modulazione sufficientemente ampia del campo di temperatura. E, ciò che è ancora più interessante, la sua osservazione non è limitata ad alcuni materiali specifici."

Applicazioni del secondo suono in un prossimo futuro

"Le possibili applicazioni del secondo suono sono infinite", dice Sebastián Reparaz. Raggiungere queste applicazioni, però, richiederà una profonda comprensione dei modi per sbloccare questo regime di propagazione termica su un dato materiale. Essere in grado di controllare la propagazione del calore attraverso le proprietà delle onde apre nuovi modi per progettare le prossime generazioni di dispositivi termici, in modo simile agli sviluppi già consolidati per la luce. "In particolare, il secondo regime termico acustico potrebbe essere utilizzato per ripensare al modo in cui gestiamo il calore disperso", Aggiunge.

Da un punto di vista teorico, "questi risultati consentono di unificare l'attuale modello teorico, che fino ad ora riteneva che i materiali in cui si osservava questo tipo di comportamento ondulatorio (come la grafite) fossero molto diversi dai materiali semiconduttori attualmente utilizzati nella produzione di chip elettronici (come il silicio e il germanio)" afferma F. Xavier Álvarez, ricercatore presso UAB. "Ora tutti questi materiali possono essere descritti utilizzando le stesse equazioni. Questa osservazione stabilisce un nuovo quadro teorico che potrebbe consentire in un futuro non troppo lontano un significativo miglioramento delle prestazioni dei nostri dispositivi elettronici, " aggiunge Alvarez.