Sull’autostrada del trasferimento di calore, l’energia termica viene spostata tramite particelle quantistiche chiamate fononi. Ma su scala nanometrica dei semiconduttori più all’avanguardia di oggi, questi fononi non rimuovono abbastanza calore. Ecco perché i ricercatori della Purdue University si stanno concentrando sull'apertura di una nuova corsia su scala nanometrica sull'autostrada del trasferimento di calore utilizzando quasiparticelle ibride chiamate "polaritoni".
Thomas Beechem ama il trasferimento di calore. Ne parla ad alta voce e con orgoglio, come un predicatore durante un grande risveglio in tenda.
"Abbiamo diversi modi per descrivere l'energia", ha affermato Beechem, professore associato di ingegneria meccanica. "Quando parliamo di luce, la descriviamo in termini di particelle chiamate 'fotoni'. Anche il calore trasporta energia in modi prevedibili e noi descriviamo quelle onde di energia come "fononi". Ma a volte, a seconda del materiale, fotoni e fononi si uniscono e formano qualcosa di nuovo chiamato "polaritone". Trasporta energia a modo suo, distinto sia dai fotoni che dai fononi."
Come i fotoni e i fononi, i polaritoni non sono particelle fisiche che puoi vedere o catturare. Sono più simili a modi di descrivere lo scambio di energia come se fossero particelle.
Ancora confuso? Che ne dici di un'altra analogia. "I fononi sono come veicoli a combustione interna, e i fotoni sono come veicoli elettrici", ha detto Beechem. "I Polaritons sono una Toyota Prius. Sono un ibrido di luce e calore e mantengono alcune delle proprietà di entrambi. Ma sono una cosa speciale."
I polaritoni sono stati utilizzati in applicazioni ottiche, dal vetro colorato ai test sanitari domestici. Ma la loro capacità di spostare il calore è stata in gran parte ignorata, perché il loro impatto diventa significativo solo quando le dimensioni dei materiali diventano molto piccole. "Sappiamo che i fononi svolgono la maggior parte del lavoro di trasferimento del calore", ha affermato Jacob Minyard, Ph.D. studente nel laboratorio di Beechem.
"L'effetto dei polaritoni è osservabile solo su scala nanometrica. Ma finora non abbiamo mai avuto bisogno di affrontare il trasferimento di calore a quel livello, a causa dei semiconduttori."
"I semiconduttori sono diventati così incredibilmente piccoli e complessi", ha continuato. "Le persone che progettano e costruiscono questi chip stanno scoprendo che i fononi non disperdono efficientemente il calore su scale molto piccole. Il nostro articolo dimostra che su queste scale di lunghezza, i polaritoni possono contribuire in misura maggiore alla conduttività termica."
La loro ricerca sui polaritoni è stata selezionata come articolo in primo piano nel Journal of Applied Physics .
"Noi della comunità del trasferimento di calore siamo stati molto specifici sui materiali nel descrivere l'effetto dei polaritoni", ha affermato Beechem. "Qualcuno lo osserverà in questo materiale o in quell'interfaccia. È tutto molto disparato. L'articolo di Jacob ha stabilito che non si tratta di una cosa casuale. I polaritoni iniziano a dominare il trasferimento di calore su qualsiasi superficie più sottile di 10 nanometri. È due volte più grande come i transistor di un iPhone 15."
Adesso Beechem si infuria davvero. "Abbiamo praticamente aperto un'intera corsia in più sull'autostrada. E più la scala si riduce, più importante diventa questa corsia in più. Poiché i semiconduttori continuano a ridursi, dobbiamo pensare a progettare il flusso di traffico per sfruttare entrambi corsie:fononi e polaritoni."
L'articolo di Minyard graffia solo la superficie di come ciò possa accadere nella pratica. La complessità dei semiconduttori significa che ci sono molte opportunità per sfruttare progetti compatibili con i polaritoni. "Ci sono molti materiali coinvolti nella produzione dei chip, dal silicio stesso ai dielettrici e ai metalli", ha detto Minyard. "La strada da seguire per la nostra ricerca è capire come questi materiali possano essere utilizzati per condurre il calore in modo più efficiente, riconoscendo che i polaritoni forniscono una corsia completamente nuova per spostare l'energia."
Riconoscendo ciò, Beechem e Minyard vogliono mostrare ai produttori di chip come incorporare questi principi di trasferimento di calore su scala nanometrica basati sui polaritoni direttamente nella progettazione fisica del chip, dai materiali fisici coinvolti alla forma e allo spessore degli strati.
Anche se al momento questo lavoro è teorico, la sperimentazione fisica è ancora all'orizzonte, motivo per cui Beechem e Minyard sono felici di essere a Purdue.
"La comunità del trasferimento di calore qui a Purdue è molto solida", ha affermato Beechem. "Possiamo letteralmente andare di sopra e parlare con Xianfan Xu, che ha avuto una delle prime realizzazioni sperimentali di questo effetto. Quindi, possiamo andare al Flex Lab e chiedere a Xiulin Ruan del suo lavoro pionieristico sulla diffusione dei fononi. E abbiamo le strutture qui al Birck Nanotechnology Center per realizzare esperimenti su scala nanometrica e utilizzare strumenti di misurazione unici per confermare le nostre scoperte. È davvero il sogno di ogni ricercatore."
Ulteriori informazioni: Jacob Minyard et al, Caratteristiche del materiale che governano la conduttanza termica fonone-polaritone nel piano, Journal of Applied Physics (2023). DOI:10.1063/5.0173917
Informazioni sul giornale: Rivista di fisica applicata
Fornito dalla Purdue University
