Un team di fisici della CU Boulder ha risolto il mistero dietro un fenomeno sconcertante nel regno dei nano:perché alcune fonti di calore ultra-piccole si raffreddano più velocemente se le metti più vicine. Le scoperte, pubblicato oggi sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ), potrebbe un giorno aiutare l'industria tecnologica a progettare dispositivi elettronici più veloci che si surriscaldano di meno.

"Spesso, il calore è una considerazione impegnativa nella progettazione dell'elettronica. Costruisci un dispositivo e poi scopri che si sta riscaldando più velocemente di quanto desiderato, " ha detto il coautore dello studio Joshua Knobloch, associato di ricerca post-dottorato presso JILA, un istituto di ricerca congiunto tra CU Boulder e il National Institute of Standards and Technology (NIST). "Il nostro obiettivo è comprendere la fisica fondamentale coinvolta in modo da poter progettare dispositivi futuri per gestire in modo efficiente il flusso di calore".

La ricerca è iniziata con un'osservazione inspiegabile:nel 2015, i ricercatori guidati dai fisici Margaret Murnane e Henry Kapteyn del JILA stavano sperimentando barre di metallo che erano molte volte più sottili della larghezza di un capello umano su una base di silicio. Quando hanno riscaldato quelle barre con un laser, è successo qualcosa di strano.

"Si sono comportati in modo molto controintuitivo, " Knobloch ha detto. "Queste fonti di calore su nanoscala di solito non dissipano il calore in modo efficiente. Ma se li metti vicini l'uno all'altro, si raffreddano molto più velocemente."

Ora, i ricercatori sanno perché succede.

Nel nuovo studio, hanno usato simulazioni al computer per tracciare il passaggio del calore dalle loro barre di dimensioni nanometriche. Hanno scoperto che quando hanno posizionato le fonti di calore vicine tra loro, le vibrazioni di energia che producevano cominciarono a rimbalzare l'una sull'altra, disperdendo il calore e raffreddando le barre.

I risultati del gruppo evidenziano una grande sfida nella progettazione della prossima generazione di piccoli dispositivi, come i microprocessori o i chip dei computer quantistici:quando ti riduci a scale molto piccole, il calore non si comporta sempre come pensi che dovrebbe.

Atomo per atomo

La trasmissione del calore nei dispositivi è importante, hanno aggiunto i ricercatori. Anche piccoli difetti nella progettazione dell'elettronica come i chip dei computer possono consentire l'aumento della temperatura, aggiungendo usura a un dispositivo. Mentre le aziende tecnologiche si sforzano di produrre elettronica sempre più piccola, dovranno prestare più attenzione che mai ai fononi, vibrazioni di atomi che trasportano calore nei solidi.

"Il flusso di calore implica processi molto complessi, rendendo difficile il controllo, " disse Knobloch. "Ma se riusciamo a capire come si comportano i fononi su piccola scala, quindi possiamo personalizzare il loro trasporto, permettendoci di costruire dispositivi più efficienti."

Per fare proprio questo, Murnane e Kapteyn e il loro team di fisici sperimentali hanno unito le forze con un gruppo di teorici guidati da Mahmoud Hussein, professore presso il Dipartimento di Scienze dell'ingegneria aerospaziale Ann e H.J. Smead. Il suo gruppo è specializzato nella simulazione, o modella, il moto dei fononi.

"Su scala atomica, la natura stessa del trasferimento di calore emerge sotto una nuova luce, " disse Hussein, che ha anche un incarico di cortesia presso il Dipartimento di Fisica.

I ricercatori, essenzialmente, hanno ricreato il loro esperimento di diversi anni prima, ma questa volta, interamente su un computer. Hanno modellato una serie di barre di silicio, posate l'una accanto all'altra come le assi di un binario del treno e riscaldate.

Le simulazioni erano così dettagliate, Knobloch ha detto, che il team potesse seguire il comportamento di ogni singolo atomo nel modello, milioni in tutto, dall'inizio alla fine.

"Stavamo davvero spingendo i limiti della memoria del Summit Supercomputer a CU Boulder, " Egli ha detto.

Dirigere il calore

La tecnica ha pagato. I ricercatori hanno scoperto, Per esempio, che quando hanno distanziato abbastanza le loro barre di silicio, il calore tendeva a fuoriuscire da quei materiali in modo prevedibile. L'energia fuoriusciva dalle sbarre e nel materiale sottostante, disperdendosi in ogni direzione.

Quando le sbarre si sono avvicinate, però, è successo qualcos'altro. Come il calore da quelle fonti disperse, ha effettivamente costretto quell'energia a fluire più intensamente lontano dalle fonti, come una folla di persone in uno stadio che si spintona l'una contro l'altra e alla fine salta fuori dall'uscita. Il team ha indicato questo fenomeno "canalizzazione termica direzionale".

"Questo fenomeno aumenta il trasporto di calore verso il basso nel substrato e lontano dalle fonti di calore, " ha detto Knobloch.

I ricercatori sospettano che un giorno gli ingegneri potrebbero attingere a questo comportamento insolito per capire meglio come scorre il calore nei piccoli dispositivi elettronici, dirigendo quell'energia lungo un percorso desiderato, invece di lasciarlo correre libero e selvaggio.

Per adesso, i ricercatori vedono nell'ultimo studio ciò che gli scienziati di diverse discipline possono fare quando lavorano insieme.

"Questo progetto è stata una collaborazione così entusiasmante tra scienza e ingegneria, in cui i metodi avanzati di analisi computazionale sviluppati dal gruppo di Mahmoud sono stati fondamentali per comprendere il comportamento dei nuovi materiali scoperti in precedenza dal nostro gruppo utilizzando nuove fonti di luce quantistica ultravioletta estrema, "disse Murnane, anche professore di fisica.

Altri coautori di CU Boulder sulla nuova ricerca includono Hossein Honarvar, un ricercatore post-dottorato in scienze dell'ingegneria aerospaziale e JILA e Brendan McBennett, uno studente laureato presso JILA. L'ex ricercatore JILA Travis Frazer, Anche Begoña Abad e Jorge Hernandez-Charpak hanno contribuito allo studio.