Lämmönhallintaa atomitasolla

Elektroniikan kutistuessa on tärkeää tietää miten lämpö käyttäytyy yhä pienemmissä piirirakenteissa.

Michiganin yliopiston tekniikan tutkijoiden vetämä kansainvälinen tutkimusryhmä on selvitellyt tapoja, joilla lämpö käyttäytyy nanomittakaavassa. Klassinen fysiikka kun ei sitä osaa kuvata.

Tutkijat ovat nyt osoittaneet kokeellisesti, miten atomitason järjestelmä lämpenee ja miten tämä eroaa makrotason prosessista.

Sähkön kulkiessa makrotason johteessa, koko materiaali lämpenee. Atomitason laitteissa, lämpeneminen keskittyy yhteen paikkaan ja vähemmässä määrin muihin paikkoihin, toteaa tutkimusta vetänyt Pramod Reddy.

Työn tulokset myös vahvistavat lämmön hajaantumisen teorian pätevyyden, jota alun perin ehdotti IBM:n fyysikko Rolf Landauer, toteaa Reddy yliopistonsa tiedotteessa.

Työ antaa myös syvemmän ymmärryksen lämmöntuoton ja atomitason lämpösähköilmiön suhteesta, eli Peltier-ilmiöstä, joka muuntaa lämpöä sähköksi.

University of Toronto Engineeringin tutkijat, yhdessä Carnegie Mellon Universityn kollegoiden kanssa, ovat myös julkaisseet uusia oivalluksia siitä, miten materiaalit siirtävät lämpöä.

Kiinteissä materiaaleissa lämpö siirtyy atomien värähtelyjen paketteina joita kutsutaan fononeiksi. Valon tapaan ne esiintyvät spektreinä ja tutkijat kehittivät työkalun, jolla voi mittailla, kuinka eri spektrien fononit edistävät lämmönjohtavuutta kiintoaineessa.

Tutkijoiden mukaan, uusi työkalu antaa sekä teollisuudelle että tiedeyhteisölle selkeämmän kuvan siitä, miten elektronisen laitteen kyky haihduttaa lämpöä kutistuu sen koon mukana ja miten materiaalit voidaan rakentaa nanomittakaavassa muuttaen niiden lämmönjohtavuutta.

Välittömin sovellus tällekin työlle on suunnitella nanorakenteisia lämpösähköisiä materiaaleja, joille saadaan parempi tehokkuus muuntaa hukkalämpöä sähköenergiaksi.