Una collaborazione guidata dall'UA di fisici e chimici ha scoperto che la temperatura si comporta in modi strani e inaspettati nel grafene, un materiale che ha entusiasmato gli scienziati per il suo potenziale per nuovi dispositivi tecnologici che vanno dall'informatica alla medicina.

Immagina di mettere una padella sul fuoco e alzare il fuoco, solo per scoprire che in alcuni punti il ​​burro non si scioglie perché parte della padella rimane a temperatura ambiente. Quello che sembra uno scenario impossibile in cucina è esattamente ciò che accade nello strano mondo della fisica quantistica, lo hanno scoperto i ricercatori dell'Università dell'Arizona.

Le scoperte, pubblicato sulla rivista scientifica Revisione fisica B , suggeriscono che gli effetti quantistici giocano un ruolo nel modo in cui il calore si muove attraverso un materiale, sfidando quella nozione classica che il calore si diffonde semplicemente da un punto caldo a un punto freddo fino a quando la temperatura non è la stessa per tutto.

Il controllo quantistico della temperatura a livello di microscala potrebbe un giorno consentire nuove tecnologie, ad esempio, nell'informatica, monitoraggio ambientale e medicina.

"Nessuno ha mai visto questi effetti quantistici nella propagazione della temperatura prima, " ha detto Charles Stafford, un professore del Dipartimento di Fisica dell'UA che è coautore del documento. "La diffusione del calore è sempre stata pensata come un processo che non si può influenzare. Normalmente, un modello di punti caldi e freddi all'interno di un materiale verrebbe cancellato dall'inesorabile flusso di calore dai punti caldi ai punti freddi adiacenti."

Non nello strano mondo del grafene. Il materiale:un foglio di atomi di carbonio legati in modo esagonale, struttura a filo di pollo:è molto promettente per la microelettronica. Solo un atomo sottile e altamente conduttivo, il grafene potrebbe un giorno sostituire i tradizionali microchip di silicio, rendere i dispositivi più piccoli, più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico. Oltre alle potenziali applicazioni nei circuiti integrati, celle solari, biodispositivi miniaturizzati e sensori di molecole di gas, il materiale ha attirato l'attenzione dei fisici per le sue proprietà uniche nel condurre l'elettricità a livello atomico.

"Abbiamo scoperto che gli elettroni che trasportano il calore si propagano come onde quantistiche bidimensionali, "Stafford ha detto, "e si prevede che le increspature di quelle onde conducano a punti caldi e freddi che persistono, volare di fronte alla nostra comprensione quotidiana della temperatura e del flusso di calore."

Cosa c'è di più, "la dimensione di queste increspature è controllabile nel grafene, in modo che questo strano fenomeno sia osservabile con microscopi termici a scansione di ultima generazione, offrendo una vista unica sulla natura della temperatura e del trasporto di calore a livello quantistico, " scrivono gli autori.

"In altre parole, questo non è solo un risultato concettuale, ma dovresti essere in grado di osservare questo fenomeno con le attuali tecniche di laboratorio, " ha detto Stafford.

Dopo aver previsto tipi simili di onde di temperatura lungo singole molecole, troppo piccole per applicazioni tecnologiche, in simulazioni al computer pubblicate in precedenza, Stafford e il suo team ora forniscono la base per osservare il trasferimento di calore quantistico con la tecnologia disponibile.

"A determinate condizioni, si potrebbe rendere queste lunghezze d'onda 20 nanometri o più, bene nel regno dell'attuale risoluzione della microscopia termica a scansione, " ha detto Stafford.

Mentre gli autori sottolineano che il loro articolo non riguarda applicazioni immediate, la scoperta di punti caldi e freddi coesistenti nello stesso foglio di grafene potrebbe offrire modi per utilizzare il grafene come conduttore di calore quantistico per raffreddare i dispositivi elettronici.

"Man mano che i dispositivi diventano sempre più piccoli, c'è una grande spinta nella tecnologia per essere in grado di gestire la temperatura a livello di nanoscala, "Stafford ha detto. "Per esempio, se vogliamo migliorare l'hardware di elaborazione, dobbiamo capire il flusso di calore a quel livello, e questo ci richiede di portare la nostra comprensione dalla lavagna della fisica teorica al riconoscimento in un ambiente di laboratorio".

Le misurazioni della temperatura con risoluzione nanometrica sono tecnologicamente necessarie, ad esempio, caratterizzare le prestazioni termiche e i meccanismi di guasto dei dispositivi a semiconduttore, o per studiare il trasferimento di biocalore a livello molecolare per il trattamento del cancro o delle malattie cardiovascolari.

"Attraverso il trasporto quantistico del calore, dovrebbe essere possibile ottenere un raffreddamento puntuale a livello di microscala che sarebbe impossibile ottenere con il classico trasporto di calore, " ha spiegato Stafford. "In una tipica architettura di calcolo di chip bidimensionali, bisogna drenare il calore in eccesso lungo i bordi, e questo diventa sempre più difficile man mano che tutto diventa sempre più piccolo. Se invece di dover raffreddare l'intera struttura si potesse raffreddare selettivamente alcuni processi microscopicamente piccoli sul chip, sarebbe un grande vantaggio".

Inoltre, gli effetti quantistici possono offrire nuovi metodi per aggirare sfide tecnologiche di vecchia data, suggerendo che lo studio degli effetti termici "sensibili alla fase" potrebbe aprire la porta a dispositivi di trasporto del calore di ingegneria quantistica.