Uno studio che mostra come gli elettroni fluiscono attorno a curve strette, come quelle che si trovano nei circuiti integrati, ha il potenziale per migliorare il modo in cui sono progettati questi circuiti, comunemente usati nei dispositivi elettronici e optoelettronici.
È noto teoricamente da circa 80 anni che quando gli elettroni viaggiano lungo le curve, tendono a riscaldarsi perché le loro linee di flusso vengono schiacciate localmente. Fino ad ora, però, nessuno aveva misurato il calore, per cui è necessario prima fotografare le linee di flusso.
Il gruppo di ricerca, guidato da Nathaniel M. Gabor presso l'Università della California, Riverside, ha immaginato le linee aerodinamiche della corrente elettrica progettando un "elettrofoil", un nuovo tipo di dispositivo che consente la contorsione, la compressione e l'espansione delle linee aerodinamiche delle correnti elettriche. allo stesso modo le ali degli aerei contorcono, comprimono ed espandono il flusso d'aria.
"La carica elettrica si muove in modo simile al modo in cui l'aria scorre sulla superficie dell'ala di un aereo", ha detto Gabor, professore di fisica e astronomia. "Mentre è facile immaginare il flusso d'aria utilizzando, ad esempio, flussi di fumo o vapore in una galleria del vento, come spesso si vede negli spot pubblicitari delle automobili, immaginare le linee aerodinamiche delle correnti elettriche è molto più difficile."
Gabor ha affermato che il team ha combinato l'imaging laser con nuovi dispositivi sensibili alla luce per ottenere le prime immagini della fotocorrente attraverso un dispositivo funzionante. Una fotocorrente è una corrente elettrica indotta dall'azione della luce.
"Se sai come fluiscono gli elettroni, puoi sapere come evitare che causino effetti deleteri, come il riscaldamento del circuito", ha detto Gabor. "Con la nostra tecnica, ora puoi valutare esattamente dove e come fluiscono gli elettroni, dandoci un potente strumento per visualizzare, caratterizzare e misurare il flusso di carica nei dispositivi optoelettronici."
Il documento di ricerca è intitolato "Mapping the intrinsic photocurrent streamlines through micromagnetic heterostructure devices" e appare negli Proceedings of the National Academy of Sciences .
Gabor ha spiegato che quando gli elettroni acquistano energia cinetica si riscaldano. Alla fine, riscaldano il materiale che li circonda, come i fili che possono rischiare di sciogliersi.
"Se si verifica un picco di calore nel computer, i circuiti iniziano a morire", ha detto. "Ecco perché quando i nostri computer si surriscaldano si spengono. È per proteggere i circuiti che potrebbero danneggiarsi a causa di tutto il calore dissipato nei metalli."
Il team di Gabor ha progettato gli elettrofoil in laboratorio come piccole forme di ali in dispositivi su scala nanometrica che fanno fluire gli elettroni attorno a loro, in modo simile a come le molecole d'aria fluiscono attorno all'ala di un aereo.
"Volevamo una forma che potesse darci diverse velocità di sterzata, qualcosa con una curvatura continua", ha detto Gabor.
"Ci siamo ispirati alle ali degli aerei, che hanno una curva graduale. Abbiamo costretto la corrente a fluire attorno all'elettrofoil, che offre diversi angoli di volo. Più acuto è l'angolo, maggiore è la compressione delle linee di flusso. In un numero sempre maggiore di materiali , stiamo iniziando a scoprire che gli elettroni si comportano come liquidi. Quindi, invece di progettare dispositivi basati, ad esempio, sulla resistenza elettrica, possiamo adottare un approccio idraulico in mente e progettare condutture attraverso le quali gli elettroni possano fluire."
Nei loro esperimenti, Gabor e i suoi colleghi hanno utilizzato un metodo di microscopia che utilizza un campo magnetico rotante uniforme per visualizzare le linee di corrente fotovoltaica attraverso dispositivi ultrasottili costituiti da uno strato di platino su granato di ferro ittrio, o YIG. YIG è un isolante ma consente un effetto di campo magnetico quando viene incollato un sottile strato di platino.
"L'effetto del campo magnetico si manifesta solo all'interfaccia tra questo cristallo di granato e il platino", ha detto Gabor. "Se puoi controllare il campo magnetico, controlli la corrente."
Per generare una fotocorrente nella direzione desiderata, i ricercatori hanno diretto un raggio laser su YIG, con il laser che funge da fonte di calore locale. Un effetto noto come "effetto foto-Nernst" genera la fotocorrente la cui direzione è controllata dal campo magnetico esterno.
"L'imaging diretto per tracciare le linee di fotocorrente nei dispositivi optoelettronici quantistici rimane una sfida chiave per comprendere il comportamento dei dispositivi esotici", ha affermato Gabor. "I nostri esperimenti mostrano che la microscopia ottimizzata della fotocorrente è un nuovo e robusto strumento sperimentale per visualizzare una fotocorrente nei materiali quantistici. Questo strumento ci aiuta a osservare come gli elettroni si comportano male."
Gabor ha spiegato che è risaputo che gli elettroni si comportano in "modi strani" in condizioni specifiche, soprattutto in dispositivi molto piccoli.
"La nostra tecnica può ora essere utilizzata per studiarli meglio", ha detto. "Se stessi cercando di progettare un circuito integrato e volessi sapere da dove potrebbe originarsi il calore, vorrei sapere dove vengono compresse le linee di flusso della corrente. La nostra tecnica può aiutare a progettare i circuiti e a stimare cosa evitare e suggerisce che si dovrebbe i cavi non devono presentare curve strette. I cavi dovrebbero essere curvati gradualmente, ma al momento non è questo lo stato dell'arte."
Ulteriori informazioni: David Mayes et al, Mappatura delle linee di fotocorrente intrinseche attraverso dispositivi a eterostruttura micromagnetica, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2023). DOI:10.1073/pnas.2221815120
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
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