Sfruttare i polaritoni: minuscole centrali elettriche che trasformano la tecnologia dei semiconduttori - METEO GIORNALE: primo sito meteo italiano di Previsioni Meteo
La nuova frontiera del trasferimento di calore: i polaritoni
Nel mondo della fisica, il trasferimento di calore avviene attraverso particelle quantistiche chiamate fononi. Tuttavia, nei semiconduttori all’avanguardia di oggi, che operano su scala nanometrica, i fononi non sono sufficienti a rimuovere il calore in eccesso. Per questo motivo, i ricercatori dell’Università di Purdue stanno lavorando per aprire una nuova corsia su questa “autostrada” del trasferimento di calore, utilizzando particelle ibride chiamate “polaritoni”.
Il fascino del trasferimento di calore
Thomas Beechem, professore associato di ingegneria meccanica, è un appassionato di trasferimento di calore e ne parla con entusiasmo. ”Abbiamo diversi modi di descrivere l’energia”, spiega Beechem. “Quando parliamo di luce, la descriviamo in termini di particelle chiamate ‘fotoni’. Anche il calore trasporta energia in modi prevedibili, e queste onde di energia le chiamiamo ‘fononi’. Ma a volte, a seconda del materiale, fotoni e fononi si uniscono e creano qualcosa di nuovo chiamato ‘polaritone’, che trasporta energia in un modo tutto suo, distinto sia dai fotoni che dai fononi”.
I polaritoni, come fotoni e fononi, non sono particelle fisiche che si possono vedere o catturare. Sono piuttosto modi di descrivere lo scambio di energia come se fossero particelle.
Un’analogia per capire meglio
Per comprendere meglio, Beechem propone un’analogia: “I fononi sono come i veicoli a combustione interna e i fotoni come i veicoli elettrici. I polaritoni sono come una Toyota Prius. Sono un ibrido di luce e calore e mantengono alcune proprietà di entrambi. Ma sono una cosa speciale a sé”.
I polaritoni sono stati utilizzati in applicazioni ottiche, dalla vetrata artistica ai test di salute domestici. Tuttavia, la loro capacità di muovere il calore è stata in gran parte ignorata, perché il loro impatto diventa significativo solo quando le dimensioni dei materiali diventano molto piccole. ”Sappiamo che i fononi fanno la maggior parte del lavoro di trasferimento del calore”, afferma Jacob Minyard, studente di dottorato nel laboratorio di Beechem. “L’effetto dei polaritoni è osservabile solo su scala nanometrica. Ma fino ad ora non abbiamo avuto la necessità di affrontare il trasferimento di calore a questo livello, a causa dei semiconduttori”.
La sfida dei semiconduttori
“I semiconduttori sono diventati così incredibilmente piccoli e complessi”, continua Minyard. “Chi progetta e costruisce questi chip sta scoprendo che i fononi non disperdono efficacemente il calore su queste scale così ridotte. Il nostro articolo dimostra che su queste lunghezze, i polaritoni possono contribuire in misura maggiore alla conducibilità termica”.
La loro ricerca sui polaritoni è stata selezionata come Articolo in Evidenza nel Journal of Applied Physics.
Un nuovo approccio al trasferimento di calore
“Nella comunità del trasferimento di calore siamo stati molto specifici nel descrivere l’effetto dei polaritoni”, dice Beechem. ”Qualcuno lo osserva in questo materiale o in quell’interfaccia. È tutto molto frammentario. Il documento di Jacob ha stabilito che questo non è un fenomeno casuale. I polaritoni iniziano a dominare il trasferimento di calore su qualsiasi superficie più sottile di 10 nanometri. Questo è il doppio delle dimensioni dei transistor su un iPhone 15″.
Ora Beechem si entusiasma ancora di più: “Abbiamo praticamente aperto una corsia extra sull’autostrada. E più le scale si riducono, più questa corsia extra diventa importante. Man mano che i semiconduttori continuano a rimpicciolirsi, dobbiamo pensare a progettare il flusso del traffico per sfruttare entrambe le corsie: fononi e polaritoni”.
Il documento di Minyard è solo l’inizio di come questo possa avvenire praticamente. La complessità dei semiconduttori significa che ci sono molte opportunità per sfruttare progetti favorevoli ai polaritoni. “Ci sono molti materiali coinvolti nella produzione di chip, dal silicio stesso ai dielettrici e ai metalli”, afferma Minyard. “La strada da seguire per la nostra ricerca è capire come questi materiali possano essere utilizzati per condurre il calore più efficacemente, riconoscendo che i polaritoni forniscono una corsia completamente nuova per muovere l’energia”.
Riconoscendo ciò, Beechem e Minyard vogliono mostrare ai produttori di chip come incorporare questi principi di trasferimento di calore nanometrico basati sui polaritoni direttamente nel design fisico del chip, dai materiali fisici coinvolti, alla forma e allo spessore degli strati.
Sebbene questo lavoro sia teorico ora, la sperimentazione fisica è molto vicina, ed è per questo che Beechem e Minyard sono felici di essere a Purdue.
“La comunità del trasferimento di calore qui a Purdue è così robusta”, afferma Beechem. “Possiamo letteralmente salire al piano di sopra e parlare con Xianfan Xu, che ha avuto una delle prime realizzazioni sperimentali di questo effetto. Poi possiamo andare al Flex Lab e chiedere a Xiulin Ruan del suo lavoro pionieristico sulla dispersione dei fononi. E abbiamo le strutture qui al Birck Nanotechnology Center per costruire esperimenti su scala nanometrica e utilizzare strumenti di misurazione unici per confermare i nostri risultati. È davvero il sogno di un ricercatore”.
Riferimento: “Caratteristiche dei materiali che governano la conducibilità termica in piano dei fonon-polaritoni” di Jacob Minyard e Thomas E. Beechem, 24 ottobre 2023, Journal of Applied Physics.
DOI: 10.1063/5.0173917
