Når temperaturen bliver kvante

Et UA-ledet samarbejde mellem fysikere og kemikere har opdaget, at temperatur opfører sig på mærkelige og uventede måder i grafen, et materiale, der får forskere til at syde af begejstring over dets potentiale for nye teknologiske enheder lige fra computere til medicin.

Forestil dig at sætte en bradepande på komfuret og skrue op for varmen, kun for at opdage, at et par steder smørret ikke smelter, fordi en del af panden forbliver ved stuetemperatur. Det, der virker som et umuligt scenarie i køkkenet, er præcis, hvad der sker i kvantefysikkens mærkelige verden, Det har forskere ved University of Arizona opdaget.

Fundene, offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Fysisk gennemgang B , tyder på, at kvanteeffekter spiller en rolle i, hvordan varme bevæger sig gennem et materiale, udfordrer den klassiske forestilling om, at varmen simpelthen diffunderer fra et varmt sted til et koldt sted, indtil temperaturen er den samme hele vejen igennem.

Kvantetemperaturstyring på mikroskalaniveau kunne en dag muliggøre nye teknologier - f.eks. inden for databehandling, miljøovervågning og medicin.

"Ingen har før set disse kvanteeffekter i udbredelsen af ​​temperatur, " sagde Charles Stafford, en professor i UA's Institut for Fysik, der var medforfatter til papiret. "Varmediffusion har altid været tænkt som en proces, man ikke kan påvirke. Normalt, et mønster af varme og kolde pletter i et materiale ville blive vasket ud af den ubønhørlige strøm af varme fra de varme pletter til de tilstødende kolde pletter."

Ikke i grafenens mærkelige verden. Materialet - et ark af kulstofatomer forbundet i en sekskantet, kyllingetrådsstruktur - lover meget for mikroelektronik. Kun ét atom tyndt og stærkt ledende, grafen kan en dag erstatte konventionelle silicium mikrochips, gøre enheder mindre, hurtigere og mere energieffektiv. Ud over potentielle anvendelser i integrerede kredsløb, solceller, miniaturiserede bioenheder og gasmolekylesensorer, materialet har tiltrukket sig fysikeres opmærksomhed for dets unikke egenskaber ved at lede elektricitet på atomniveau.

"Vi fandt ud af, at elektroner, der bærer varme, forplanter sig som todimensionelle kvantebølger, " sagde Stafford, "og krusningerne i disse bølger forventes at føre til varme og kolde pletter, der fortsætter, flyver over for vores daglige forståelse af temperatur og varmeflow."

Hvad mere er, "størrelsen af ​​disse krusninger kan kontrolleres i grafen, så dette mærkelige fænomen skulle kunne observeres med state-of-the-art scanning termiske mikroskoper, tilbyder en unik udsigt til karakteren af ​​temperatur og varmetransport på kvanteniveau, " skriver forfatterne.

"Med andre ord, dette er ikke bare et konceptuelt resultat, men du burde være i stand til at observere dette fænomen med nuværende laboratorieteknikker, " sagde Stafford.

Efter at have forudsagt lignende typer temperaturbølger langs enkelte molekyler - for små til teknologiske anvendelser - i computersimuleringer offentliggjort tidligere, Stafford og hans team giver nu grundlaget for at observere kvantevarmeoverførsel med tilgængelig teknologi.

"Under visse betingelser, man kunne gøre disse bølgelængder til 20 nanometer eller mere, godt inden for den nuværende opløsning af scanning termisk mikroskopi, " sagde Stafford.

Mens forfatterne understreger, at deres papir ikke handler om umiddelbare ansøgninger, opdagelsen af ​​varme og kolde pletter, der eksisterer side om side i det samme ark grafen, kunne tilbyde måder at bruge grafen som en kvantevarmeleder til at afkøle elektroniske enheder.

"Efterhånden som enheder bliver mindre og mindre, der er et stort skub i teknologien for at kunne styre temperaturen på nanoskala niveau, " sagde Stafford. "F.eks. hvis vi ønsker at forbedre behandlingshardware, vi skal forstå varmestrømmen på det niveau, og det kræver, at vi bringer vores forståelse fra tavlen i teoretisk fysik til at blive genkendt i et laboratoriemiljø."

Nanometer opløsning temperaturmålinger er teknologisk nødvendige, for eksempel, at karakterisere den termiske ydeevne og fejlmekanismer for halvlederenheder, eller at undersøge biovarmeoverførsel på molekylært niveau til behandling af cancer eller hjerte-kar-sygdomme.

"Gennem kvantevarmetransport, det burde være muligt at opnå punktafkøling på mikroskalaniveau, som ville være umuligt at opnå ved klassisk varmetransport, " Stafford forklarede. "I en typisk computerarkitektur af todimensionelle chips, du skal dræne overskydende varme langs kanterne, og det bliver sværere og sværere, efterhånden som alting bliver mindre og mindre. Hvis du i stedet for at skulle afkøle hele strukturen selektivt kunne afkøle visse mikroskopisk små processer på chippen, det ville være en stor fordel."

I øvrigt, kvanteeffekter kan tilbyde nye metoder til at omgå langvarige teknologiske udfordringer, tyder på, at undersøgelsen af ​​"fasefølsomme" termiske effekter kunne åbne døren for kvantekonstruerede varmetransportanordninger.