I ricercatori stanno applicando lo stesso "modello di trasporto idrodinamico" utilizzato per studiare il flusso nei fluidi per spiegare il trasporto di calore in un semiconduttore solido, con potenziali implicazioni per la progettazione di transistor e laser ad alta velocità.

L'imaging termico di minuscole fonti di calore a semiconduttore su nanoscala ha rivelato dettagli sui vortici di oggetti che trasportano calore chiamati fononi.

Le nuove scoperte hanno implicazioni potenzialmente importanti per "diafonia termica, " in cui più fonti di calore una accanto all'altra influiscono sulla temperatura complessiva del sistema, ostacolando le prestazioni. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata termografia a termoriflettenza a campo intero per visualizzare direttamente i cambiamenti di temperatura prodotti da fonti di calore ultra-piccole, strisce d'oro formate sopra il semiconduttore indio gallio arseniuro.

La ricerca riguarda il ruolo cruciale dei fononi, oggetti di meccanica quantistica, o "quasiparticelle, " che descrivono come le vibrazioni viaggiano attraverso la struttura cristallina di un materiale. Si dice che i fononi siano "portatori di calore" nei materiali solidi.

"Questa è la prima volta che tali effetti idrodinamici vengono osservati indirettamente per la propagazione del calore in un solido, " ha detto Ali Shakouri, Mary Jo e Robert L. Kirk della Purdue University Direttore del Birck Nanotechnology Center e professore di ingegneria elettrica e informatica. "Mentre le strutture chiamate vortici sono comuni nei flussi di fluidi come l'acqua o l'aria, questa è la prima volta che vediamo che possono essere presenti all'interno di solidi per flusso fononico nel tipico semiconduttore arseniuro di indio gallio, che viene utilizzato in transistor e laser ad alta velocità."

I risultati sono dettagliati in un documento di ricerca apparso il 17 gennaio in Comunicazioni sulla natura .

"La riduzione della diafonia termica osservata ha importanti implicazioni nella progettazione di dispositivi elettronici e optoelettronici su scala nanometrica, ", ha affermato Amirkoushyar Ziabari, associato di ricerca post-dottorato di Purdue, l'autore principale del documento. "Poiché le dimensioni dei dispositivi elettronici e optoelettronici si riducono, ci sono sempre più dispositivi imballati in un'area più piccola, quindi la diafonia termica tra questi dispositivi diventa importante. Conoscere il comportamento termico accurato nel vicinato e pochi micron dalle fonti di calore aiuterebbe a progettare dispositivi all'avanguardia in termini di prestazioni, velocità, affidabilità termica, e così via."

I ricercatori hanno scoperto che la ridotta diafonia termica è causata da vortici generati vicino al bordo delle fonti di calore.

"Questo è simile ai vortici che si osservano sul bordo di un ostacolo posto all'interno di una corrente d'aria o d'acqua, come dietro l'ala di un aereo, "Ha detto Shakuri.

La legge che regola la conduzione del calore, nota come legge di Fourier o equazione di diffusione del calore, non prevede con precisione il trasporto termico per i dispositivi su scala nanometrica. Poiché l'equazione di diffusione di Fourier non spiega il trasporto di calore a quelle scale, questo regime di trasporto è detto non diffusivo.

"Poiché le dimensioni dei dispositivi elettronici e optoelettronici si riducono, è importante considerare questo comportamento non diffusivo per la progettazione e l'ottimizzazione di dispositivi così piccoli, " ha detto Ziabari. "Queste nuove misurazioni mostrano che su scala nanometrica, la propagazione del calore ha un interessante comportamento "simile a un fluido".

I metodi convenzionali non tengono conto dei vortici di trasporto di calore trovati su scala nanometrica.

"La vorticità diventa importante solo quando la dimensione caratteristica della sorgente è paragonabile alla scala della lunghezza idrodinamica di circa 150 nanometri, " Egli ha detto.

La teoria di Fourier sovrastima sostanzialmente la temperatura osservata sperimentalmente a breve distanza dalle linee di riscaldamento.

"L'effetto sorprendente è stato che la temperatura decade molto più velocemente di quanto previsto dalla teoria di Fourier, "Ha detto Shakouri. "A una distanza di 1 o 2 micron da una piccola fonte di calore - una linea larga circa 100 nanometri - la temperatura potrebbe essere da un terzo a un quarto di quanto previsto dalla teoria di Fourier".

L'approccio di imaging termico a termoriflettenza consente ai ricercatori di creare mappe dell'aumento della temperatura a una risoluzione molto più alta di quella altrimenti possibile utilizzando la luce nel campo del visibile.