Nano-termometer muliggør første atom-skala varmeoverførselsmålinger

I resultater, der kunne hjælpe med at overvinde en stor teknologisk forhindring på vejen mod mindre og mere kraftfuld elektronik, et internationalt forskerhold, der involverer University of Michigan ingeniørforskere, har vist de unikke måder, hvorpå varmen spredes på de mindste skalaer.

Et papir om forskningen er offentliggjort i 13. juni-udgaven af Natur .

Når en strøm går gennem et materiale, der leder elektricitet, det genererer varme. At forstå, hvor temperaturen vil stige i et elektronisk system hjælper ingeniører med at designe pålidelige, højtydende computere, mobiltelefoner og medicinsk udstyr, for eksempel. Mens varmeudvikling i større kredsløb er velforstået, klassisk fysik kan ikke beskrive forholdet mellem varme og elektricitet i den ultimative ende af nanoskalaen - hvor enheder er cirka en nanometer store og kun består af nogle få atomer.

Inden for de næste to årtier, datalogi og ingeniørforskere forventes at arbejde på denne "atomare" skala, ifølge Pramod Reddy, U-M assisterende professor i maskinteknik og materialevidenskab og teknik, der ledede forskningen.

"Ved 20 eller 30 nanometer i størrelse, de aktive områder af nutidens transistorer har meget små dimensioner, " sagde Reddy. "Men, hvis industrien holder trit med Moores lov og fortsætter med at skrumpe størrelsen af ​​transistorer for at fordoble deres tæthed på et kredsløb, så er atomskalaen ikke langt væk.

"Det vigtigste er da er at forstå forholdet mellem den afledte varme og enhedens elektroniske struktur, i fravær af hvilket du ikke rigtig kan udnytte atomskalaen. Dette arbejde giver for første gang indsigt i det."

Forskerne har eksperimentelt vist, hvordan et system i atomskala opvarmes, og hvordan dette adskiller sig fra processen på makroskalaen. De udtænkte også en ramme til at forklare processen.

I det håndgribelige, makroskala verden, når elektricitet går gennem en ledning, hele ledningen varmes op, som alle elektroderne langs den. I modsætning, når "ledningen" er et molekyle på nanometerstørrelse og kun forbinder to elektroder, temperaturen stiger overvejende i en af ​​dem.

"I en enhed i atomskala, al opvarmning er koncentreret ét sted og mindre andre steder, " sagde Reddy.

For at opnå dette, forskere i Reddys laboratorium - doktorgradsstuderende Woochul Lee og Wonho Jeong og post-doc-stipendiat Kyeongtae Kim - udviklede teknikker til at skabe stabile atomare enheder og designede og byggede et tilpasset nanoskalatermometer integreret i en kegleformet enhed. Enkelte molekyler eller atomer blev fanget mellem den kegleformede enhed og en tynd plade af guld for at studere varmeafledning i prototypiske kredsløb i molekylær skala.

"Resultaterne fra dette arbejde bekræfter også gyldigheden af ​​en varmeafledningsteori, som oprindeligt blev foreslået af Rolf Landauer, en fysiker fra IBM, " sagde Reddy. "Videre, indsigten opnået fra dette arbejde muliggør også en dybere forståelse af forholdet mellem varmeafledning og termoelektriske fænomener på atomare skala, som er omdannelsen af ​​varme til elektricitet."