Le laser chauffe des barres ultrafines de silicium. Crédit : Steven Burrows/JILA
L’équipe de physiciens de CU Boulder a résolu le mystère particulier derrière le phénomène déroutant dans le domaine nano: exactement pourquoi certaines sources de chaleur ultra-petites se refroidissent plus rapidement si vous les rapprochez toutes. Les conclusions particulières, qui seront soumises cette semaine dans le journal Procédures de l’École nationale des sciences (PNAS), peut un jour aider les appareils électroniques plus rapides de style industrie technologique particulier qui surchaufferont moins.
« Souvent, la chaleur est un facteur difficile à prendre en compte dans le développement de l’électronique. Vous créez un appareil, puis vous constatez qu’il chauffe plus rapidement que souhaité », a déclaré Joshua Knobloch, co-auteur de l’étude, associé de recherche postdoctoral à JILA, un institut de recherche partagé entre CU Boulder et l’Institut national associé aux normes et technologies (NIST ). « Notre objectif est de comprendre la physique essentielle impliquée et nous pouvons concevoir des dispositifs à venir pour gérer efficacement le flux de chaleur. ”
La recherche a commencé par une déclaration inexpliquée. En 2015, des scientifiques dirigés par les physiciens Margaret Murnane et Henry Kapteyn sur JILA expérimentaient avec des pubs de métal qui étaient souvent plus fins que la taille d’un cheveu bouclé humain sur un fond de teint en silicone. Quand ils ont chauffé des barres d’individus avec le laser, quelque chose d’inhabituel s’est produit.
“Ils se sont comportés de manière très contre-intuitive”, a déclaré Knobloch. « Ces sources à haute température à l’échelle nanométrique ne dissipent généralement pas efficacement la chaleur. Mais si vous les regroupez les uns contre les autres, ils refroidiront beaucoup plus rapidement. ”
Aujourd’hui, les chercheurs comprennent pourquoi cela se produit.
Dans la nouvelle recherche, ils ont utilisé des simulations informatiques pour suivre le passage particulier de la température élevée à partir de leurs pubs de taille nanométrique. Ils ont découvert que s’ils plaçaient les ressources thermiques à proximité les unes des autres, la vibration d’énergie qu’ils créaient commençait à rebondir les unes sur les autres, dispersant la température et refroidissant les barres plus bas.
Les résultats du groupe mettent en évidence un défi important dans la création de la prochaine génération associée à des appareils minuscules, tels que des microprocesseurs ou des puces informatiques partielles : chaque fois que vous vous réduisez à de très petites échelles, la chaleur ne se comportera pas toujours comme vous le pensez.
Atome par atome
La transmission de chaleur dans les appareils est importante, ont ajouté les chercheurs. En fait, des défauts infimes dans la conception de l’électronique, tels que les puces informatiques, permettent à la température de s’accumuler, y compris l’usure d’un gadget. Alors que les entreprises technologiques s’efforcent de produire des appareils électroniques de plus en plus petits, elles devront accorder beaucoup plus d’attention que jamais aux phonons, des vibrations d’atomes qui transportent la chaleur dans les solides.
« Le flux de chaleur nécessite des procédures très complexes, ce qui le rend difficile à gérer », a déclaré Knobloch. « Mais si nous pouvons comprendre comment les phonons agissent à un petit niveau, nous pouvons alors personnaliser leur transport, ce qui nous permet de construire des appareils plus efficaces. ”
Pour ce faire, Murnane et Kapteyn et leur équipe de physiciens expérimentateurs sont devenus membres des forces de plusieurs théoriciens dirigés par Mahmoud Hussein, professeur au sein de l’Ann et ils le feraient. J. Smead Section des sciences exécutives aérospatiales. Son groupe est spécialisé dans la simulation, voire la modélisation, du mouvement des phonons.
« À l’échelle atomique, le caractère même de l’échange thermique apparaît sous un tout nouveau jour », a mentionné Hussein qui offre également un rendez-vous de courtoisie au sein du Département de physique.
Les scientifiques ont essentiellement recréé leur propre expérience de nombreuses années auparavant, mais à cette occasion, entièrement sur un ordinateur. Ils ont modélisé un certain nombre de barres de silicium, placées côte à côte comme les lattes d’un moniteur de train, et les ont toutes chauffées.
Les simulations particulières ont donc été détaillées, a déclaré Knobloch, que l’équipe peut suivre le comportement de chaque atome dans le modèle – des millions d’entre eux en tout – du début à la fin.
“Nous avions vraiment repoussé les limites particulières de l’espace mémoire du superordinateur Summit à CU Boulder”, a-t-il déclaré.
Diriger la chaleur
La méthode a payé. Les scientifiques ont découvert, par exemple, que chaque fois qu’ils écartaient suffisamment leurs barres de silicium, la chaleur avait tendance à s’échapper loin de ces matériaux de manière prévisible. La puissance s’échappait des pubs et dans les matériaux en dessous d’eux, se dissipant dans toutes les directions.
Quand les barres se sont rapprochées, néanmoins, quelque chose d’autre s’est produit. Étant donné que la chaleur des sources individuelles s’est dispersée, cela a effectivement forcé cette énergie à circuler plus intensément dans une direction uniforme loin des sources, comme un public de personnes dans une arène se bousculant les unes contre les autres et sautant par la sortie. Le groupe a noté cette sensation « canalisation thermique directionnelle ». ”
“Ce phénomène augmente le transport de la chaleur dans le substrat et loin des ressources thermiques”, a déclaré Knobloch.
Les scientifiques soupçonnent que les ingénieurs pourront un jour exploiter ce comportement inhabituel particulier pour mieux comprendre comment la chaleur circule dans les petits appareils électroniques, en dirigeant cette énergie le long du chemin souhaité, plutôt que de la laisser devenir scandaleuse.
Pour l’instant, les chercheurs considèrent la dernière étude comme exactement ce que les scientifiques de diverses disciplines peuvent faire s’ils travaillent ensemble.
“Ce projet était ce genre de collaboration passionnante entre la science et l’ingénierie, où les méthodes avancées d’évaluation informatique développées par le groupe de Mahmoud étaient cruciales pour comprendre le comportement des nouveaux composants découverts précédemment par notre équipe à l’aide de nouvelles sources douces quantiques ultraviolettes sévères”, a déclaré Murnane, également un professeur de physique.
Référence : « Canalisation directionnelle de la chaleur : une sensation déclenchée par un emballage limité de sources de chaleur » 20 septembre 2021, Actes de l’Académie nationale des sciences .
DOI : 10. 1073/pnas. 2109056118
Cette recherche particulière a été soutenue par la STROBE Nationwide Science Foundation Technology and Technology Focus on Real-Time Functional Image resolution.
Les autres coauteurs de CU Boulder sur la toute nouvelle recherche incluent Hossein Honarvar, chercheur postdoctoral en sciences de l’ingénierie aéronautique, ainsi que JILA et Brendan McBennett, étudiant diplômé à JILA. Les anciens scientifiques de la JILA Travis Frazer, Begoña Abad et Jorge Hernandez-Charpak ont également dirigé l’étude.
