I dispositivi elettronici e i loro componenti stanno diventando sempre più piccoli. Attraverso la sua ricerca di dottorato presso il Dipartimento di Fisica Applicata dell'Università di Aalto, Tomi Ruokola ha esaminato come controllare e utilizzare il calore generato dai componenti elettronici.
C'è poca ricerca nell'area dei flussi di calore e del loro controllo. Lo studio di Ruokola affronta le questioni fondamentali del campo:come avviene il trasferimento di calore da un punto all'altro e come questo flusso può essere controllato nei circuiti elettronici che si avvicinano alla nanoscala?
"I flussi di calore sono notevolmente più difficili da controllare rispetto alle correnti elettriche. Il calore è pura energia, l'elettricità, d'altra parte, è una carica che può essere misurata con precisione. I flussi di calore non sono direttamente accessibili allo stesso modo, che rende difficile la ricerca sperimentale, " spiega Ruokola.
Ruokola ha progettato due dispositivi mesoscopici, di dimensioni comprese tra macroscopico e microscopico, per il trasporto del calore. Si basano su fenomeni del singolo elettrone:il movimento di singoli elettroni attraverso il sistema costruito. Gli elettroni trasportano, oltre alla loro carica elettrica, una quantità arbitraria di calore.
"Più piccola diventa la scala di dispositivi e componenti, più fenomeni a livello quantistico vengono alla ribalta. Ciò richiede anche nuove idee e metodi per il trasferimento di calore".
Insieme al ricercatore Teemu Ojanen di O.V. Laboratorio Lounasmaa presso l'Università di Aalto, Ruokola ha sviluppato un diodo a singolo elettrone, un raddrizzatore, che consente al calore di fluire solo in una direzione e blocca il flusso nell'altra. L'idea nasce dal noto componente elettronico di una funzione simile.
"Il flusso tra le diverse temperature è normalmente simmetrico:il flusso va da un punto più caldo a uno più freddo, mentre le temperature cercano di bilanciarsi a vicenda. Se vogliamo controllare i flussi, abbiamo bisogno di manipolarli per fluire nella direzione desiderata. I diodi che presentiamo sono idee su come ottenere un flusso di calore fortemente asimmetrico".
"Il diodo che abbiamo sviluppato ha funzionato notevolmente bene rispetto alla letteratura esistente, "dice Ruocola.
Le applicazioni innovative richiedono ricerca sperimentale
Ruokola afferma che la ricerca di base sui flussi di calore a livello nanometrico è fortemente ostacolata dalla mancanza di configurazioni sperimentali.
"La motivazione alla base della mia ricerca è stata soprattutto il desiderio e la necessità di comprendere i fenomeni di base e il controllo del trasferimento e dei flussi di calore".
Se i problemi della ricerca di base e della sperimentazione dovessero essere risolti, le future applicazioni nella nanoelettronica sarebbero eccezionali.
I computer potrebbero funzionare con le correnti di calore invece che con l'elettricità, e la grande quantità di calore disperso nelle server farm potrebbe essere catturata e convertita già a livello di microchip. Microchip più piccoli di un nanometro funzionerebbero anche a temperatura ambiente; l'utilizzo di fenomeni di livello quantistico non richiederebbe più temperature prossime allo zero assoluto.
"Questi sono ovviamente fuori portata, almeno un decennio, o decenni, via."
Tuttavia Ruokola è incuriosito dall'utilizzo del calore di scarto. Come sottolineato nella sua tesi, costruì un motore termico termoelettrico, che rimette al lavoro l'energia termica di scarto. Nel motore i flussi di carica degli elettroni che svolgono il lavoro ei flussi di fotoni di trasferimento di calore possono essere separati l'uno dall'altro.
"Nei motori termici e nell'energia dispersa, il problema principale di solito è l'efficienza dell'uso dell'energia. Però, quando c'è abbondanza di calore disperso, la cosa più importante non è l'efficienza, ma piuttosto la massima potenza che si può estrarre dal calore, " precisa Ruokola.
"Finché c'è freddo e un punto caldo nel microchip, il flusso di calore tra di loro può essere rimesso nel chip come lavoro utile."
Nei diodi il problema principale è il trasferimento di grandi correnti. Nei sistemi a singolo elettrone costruiti da Ruokola, le correnti ei livelli di potenza sono ovviamente bassi. Sistemi simili di alta interazione e con grandi correnti sarebbero di grande richiesta.
"Questi sono i problemi di base ancora da risolvere nel controllo del flusso di calore nella nanoelettronica. C'è ancora molto da fare per capire la teoria di base, " crede Ruokola.
