Nelle scoperte che potrebbero aiutare a superare un importante ostacolo tecnologico sulla strada verso un'elettronica più piccola e più potente, un team di ricerca internazionale che coinvolge ricercatori di ingegneria dell'Università del Michigan, ha mostrato i modi unici in cui il calore si dissipa alle scale più piccole.

Un articolo sulla ricerca è pubblicato nell'edizione del 13 giugno di Natura .

Quando una corrente passa attraverso un materiale che conduce elettricità, genera calore. Capire dove aumenterà la temperatura in un sistema elettronico aiuta gli ingegneri a progettare progetti affidabili, computer ad alte prestazioni, telefoni cellulari e dispositivi medici, Per esempio. Sebbene la generazione di calore nei circuiti più grandi sia ben nota, la fisica classica non può descrivere la relazione tra calore ed elettricità all'estremo estremo della nanoscala, dove i dispositivi hanno una dimensione di circa un nanometro e sono costituiti da pochi atomi.

Entro i prossimi due decenni, si prevede che i ricercatori di informatica e ingegneria lavoreranno su questa scala "atomica", secondo Pramod Reddy, assistente professore di ingegneria meccanica e scienza e ingegneria dei materiali che ha guidato la ricerca.

"A 20 o 30 nanometri di dimensione, le regioni attive dei transistor odierni hanno dimensioni molto ridotte, " Reddy ha detto. "Tuttavia, se l'industria tiene il passo con la legge di Moore e continua a ridurre le dimensioni dei transistor per raddoppiare la loro densità su un circuito, le scale atomiche non sono lontane.

"La cosa più importante allora, è capire la relazione tra il calore dissipato e la struttura elettronica del dispositivo, in assenza della quale non si può davvero sfruttare la scala atomica. Questo lavoro fornisce approfondimenti su questo per la prima volta".

I ricercatori hanno mostrato sperimentalmente come si riscalda un sistema su scala atomica, e come questo differisce dal processo alla macroscala. Hanno anche ideato un quadro per spiegare il processo.

Nel tangibile, mondo su macroscala, quando l'elettricità passa attraverso un filo, tutto il filo si scalda, così come tutti gli elettrodi lungo di esso. In contrasto, quando il "filo" è una molecola di dimensioni nanometriche e collega solo due elettrodi, la temperatura sale prevalentemente in uno di essi.

"In un dispositivo su scala atomica, tutto il riscaldamento è concentrato in un luogo e meno in altri luoghi, " ha detto Reddy.

Per realizzare ciò, i ricercatori del laboratorio di Reddy, gli studenti di dottorato Woochul Lee e Wonho Jeong e il collega post-dottorato Kyeongtae Kim, hanno sviluppato tecniche per creare dispositivi stabili su scala atomica e hanno progettato e costruito un termometro personalizzato su scala nanometrica integrato in un dispositivo a forma di cono. Singole molecole o atomi sono stati intrappolati tra il dispositivo a forma di cono e una sottile lastra d'oro per studiare la dissipazione del calore in circuiti prototipici su scala molecolare.

"I risultati di questo lavoro stabiliscono anche fermamente la validità di una teoria della dissipazione del calore originariamente proposta da Rolf Landauer, un fisico dell'IBM, " Reddy ha detto. "Inoltre, le intuizioni ottenute da questo lavoro consentono anche una comprensione più profonda della relazione tra dissipazione del calore e fenomeni termoelettrici su scala atomica, che è la conversione del calore in elettricità."