Il flusso di calore su nanoscala svolge un ruolo cruciale in molte moderne applicazioni elettroniche e optoelettroniche, come la gestione termica, fotorilevamento, termoelettrica e comunicazione dati. I materiali a strati bidimensionali potrebbero svolgere un ruolo in molte di queste applicazioni. Forse ancora più promettenti sono le cosiddette eterostrutture di van der Waals, che consistono di diversi materiali bidimensionali stratificati impilati uno sopra l'altro. Questi stack possono essere costituiti da materiali con proprietà fisiche notevolmente diverse, mentre le interfacce tra di loro sono ultra pulite e atomicamente nitide.

Scienziati dell'ammiraglia europea del grafene, guidato dai ricercatori dell'ICFO, hanno recentemente osservato il modo in cui avviene il trasporto di calore negli stack di van der Waals, che consistono in grafene incapsulato dal materiale dielettrico bidimensionale esagonale BN (hBN).

In uno studio pubblicato su Nanotecnologia della natura intitolato "Trasferimento di calore fuori dal piano in pile di van der Waals attraverso accoppiamento elettrone-fonone iperbolico, "I ricercatori dell'ICFO, in collaborazione con ricercatori dei Paesi Bassi, Italia, Germania, e Regno Unito, hanno identificato un effetto molto sorprendente:invece di rimanere all'interno del foglio di grafene, il calore fluisce effettivamente verso i fogli di hBN circostanti. Questo processo di trasferimento di calore fuori piano avviene su una scala temporale ultraveloce di picosecondi (un milionesimo di milionesimo di secondo), ed è quindi dominante sui processi di trasferimento di calore concorrenti (nel piano).

Il processo di trasferimento del calore avviene attraverso elettroni di grafene caldi (generati sperimentalmente dalla luce incidente) che si accoppiano a fononi-polaritoni iperbolici nei fogli di hBN. Questi polaritoni fononici si propagano all'interno dell'hBN come fa la luce in una fibra ottica, ma in questo caso, per lunghezze d'onda infrarosse e su scala nanometrica. Si scopre che questi modi iperbolici esotici sono molto efficienti nel portare via il calore.

I risultati di questo lavoro potrebbero avere implicazioni di vasta portata per molte applicazioni basate sul grafene incapsulato in hBN, a volte indicata come la piattaforma di grafene di nuova generazione, grazie alle sue proprietà elettriche superiori. In particolare, fornirà indicazioni per la progettazione di dispositivi optoelettronici, dove questi processi di flusso di calore possono essere completamente sfruttati.