Il controllo del flusso di calore attraverso i materiali semiconduttori è una sfida importante nello sviluppo di chip per computer più piccoli e veloci, pannelli solari ad alto rendimento, e migliori laser e dispositivi biomedici.

Per la prima volta, un team internazionale di scienziati guidati da un ricercatore dell'Università della California, Riverside ha modificato lo spettro energetico dei fononi acustici:eccitazioni elementari, dette anche quasi-particelle, che diffondono il calore attraverso i materiali cristallini come un'onda, confinandoli a strutture semiconduttori su scala nanometrica. I risultati hanno importanti implicazioni nella gestione termica dei dispositivi elettronici.

Guidati da Alexander Balandin, Illustre Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica e Professore Presidente della UC presso il Bourns College of Engineering dell'UCR, la ricerca è descritta in un articolo pubblicato giovedì, 10 novembre nel diario Comunicazioni sulla natura . Il documento è intitolato "Osservazione diretta di rami di polarizzazione fononica acustica confinati in nanofili indipendenti".

Il team ha utilizzato nanofili semiconduttori di arseniuro di gallio (GaAs), sintetizzato da ricercatori in Finlandia, e una tecnica di imaging chiamata spettroscopia di diffusione della luce Brillouin-Mandelstam (BMS) per studiare il movimento dei fononi attraverso le nanostrutture cristalline. Modificando le dimensioni e la forma delle nanostrutture di GaAs, i ricercatori sono stati in grado di alterare lo spettro energetico, o dispersione, di fononi acustici. Lo strumento BMS utilizzato per questo studio è stato costruito presso il Centro Phonon Optimized Engineered Materials (POEM) di UCR, che è diretto da Balandin.

Il controllo della dispersione dei fononi è fondamentale per migliorare la rimozione del calore dai dispositivi elettronici su scala nanometrica, che è diventato il principale ostacolo nel consentire agli ingegneri di continuare a ridurre le proprie dimensioni. Può anche essere utilizzato per migliorare l'efficienza della generazione di energia termoelettrica, ha detto Balandin. In quel caso, la diminuzione della conduttività termica da parte dei fononi è vantaggiosa per i dispositivi termoelettrici che generano energia applicando un gradiente di temperatura ai semiconduttori.

"Per anni, l'unico metodo previsto per modificare la conduttività termica delle nanostrutture era tramite la diffusione acustica dei fononi con i confini e le interfacce delle nanostrutture. Abbiamo dimostrato sperimentalmente che confinando spazialmente i fononi acustici nei nanofili si può cambiare la loro velocità, e il modo in cui interagiscono con gli elettroni, magnon, e come trasportano il calore. Il nostro lavoro crea nuove opportunità per la messa a punto delle proprietà termiche ed elettroniche dei materiali semiconduttori, " ha detto Balandin.