Voiko lämpöä hallita aaltoina?

Kasvava kiinnostus lämpösähköisiin materiaaleihin ja paineet parantaa lämmönsiirtoa yhä tehokkaammissa mikrokomponenteissa ovat parantaneet teoreettista ja kokeellista ymmärrystä siitä, miten lämpö kulkeutuu nanometriluokan materiaaleissa.

Viimeaikainen tutkimus on keskittynyt mahdollisuuteen käyttää fononiaaltojen interferenssivaikutuksia hallitsemaan lämmön liikettä materiaaleissa. Aaltointerferenssiä käytetään jo laajasti elektronisissa, fotonisissa ja akustisissa laitteissa.

Jos samanlaista lähestymistapaa voitaisiin käyttää lämmönsiirtoon, sen myötä voisi kehittää tehokkaampia lämpösähköisiä ja nanoelektroniikan laitteita sekä tuottaa uusia materiaaleja, joilla on erittäin alhainen lämmönjohtavuus.

"Jos saat lämmön käyttäytymään kuin aalto ja käytät interferenssiä hallitessasi sitä miten pitkälle se siirtyy, voit periaatteessa ohjata kaikkia lämmönsiirron takana olevia ominaisuuksia", toteaa apulaisprofessori Martin Maldovan Georgia Institute of Technologystä.

"Tämä olisi täysin uusi tapa ymmärtää ja manipuloida lämpöä."

Klassisessa määritelmässä, lämpö on atomitason osasten liikettä ja mitä enemmän värähtelyä sitä kuumempi on materiaali. Ja samoin kuin valkoinen valo koostuu monista eri väreistä, lämmön hilavärähtelyt koostuvat monista eri taajuuksista, joista kukin kuljettaa eri määriä lämpöä.

Äskettäin on osoitettu, että termiset hilavärähtelyt voivat interferoida heijastuksiensa kanssa. Havainto viittaa siihen, että termiset hilavärähtelyt ovat olemassa samanlaisina aaltoina kuin sähköiset, fotoniset tai akustiset aallot.

Tätä interferenssiä voitaisiin mahdollisesti käyttää muuttamaan hilavärähtelyjen nopeutta ja tilojen tiheyttä ja luomaan energisiä kiellettyjä kaistaeroja fononiaalloille.

"Näitä uusia aaltoilmiöitä voidaan käyttää luomaan materiaaleja, joilla on alhainen lämmönjohtavuus", toteaa Maldovan. "Yritämme myös luoda termisen ”bandgapin”, mutta se ei ole niin helppo homma."

Termisfononisten aaltojen materiaalien etsintä keskittyy nyt puolijohteisiin ja todennäköisiä materiaaleja ovat pii-germanium, gallium ja alumiini-arsenide sekä eräät oksidien superhilat.

"Se on nyt hyvin ”cool” asia ymmärtää lämpöä", toteaa Maldovan yliopistonsa uutissivuilla.

Aiheesta aiemmin:

Uusia ratkaisuja lämmönhallintaan