Grafen møder hedebølger

EPFL-forskere har kastet nyt lys over de grundlæggende mekanismer for varmeafledning i grafen og andre todimensionelle materialer. De har vist, at varme kan forplante sig som en bølge over meget lange afstande. Dette er nøgleoplysninger til udvikling af morgendagens elektronik.

I kapløbet om at miniaturisere elektroniske komponenter, forskere er udfordret med et stort problem:jo mindre eller jo hurtigere din enhed, jo mere udfordrende er det at køle det ned. En løsning til at forbedre kølingen er at bruge materialer med meget høj varmeledningsevne, såsom grafen, for hurtigt at aflede varme og derved køle kredsløbene ned.

I øjeblikket, imidlertid, potentielle applikationer står over for et grundlæggende problem:hvordan forplanter varme sig inde i disse ark af materialer, der ikke er mere end et par atomer tykke?

I en undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation , et hold af EPFL-forskere har kastet nyt lys over mekanismerne for termisk ledningsevne i grafen og andre todimensionelle materialer. De har vist, at varme forplanter sig i form af en bølge, ligesom lyd i luften. Dette var indtil nu et meget uklart fænomen, der er observeret i få tilfælde ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt. Deres simuleringer er et værdifuldt værktøj for forskere, der studerer grafen, om kredsløb skal afkøles på nanoskala, eller at erstatte silicium i morgendagens elektronik.

Kvasi-tabsfri formering

Hvis det hidtil har været svært at forstå udbredelsen af ​​varme i todimensionelle materialer, det er fordi disse ark opfører sig på uventede måder sammenlignet med deres tredimensionelle fætre. Faktisk, de er i stand til at overføre varme med ekstremt begrænsede tab, selv ved stuetemperatur.

Generelt, varme forplanter sig i et materiale gennem vibrationer af atomer. Disse vibrationer kaldes "fononer", og når varme forplanter sig gennem et tredimensionelt materiale, , disse fononer bliver ved med at kollidere med hinanden, smelter sammen, eller opdeling. Alle disse processer kan begrænse varmeledningsevnen undervejs. Kun under ekstreme forhold, når temperaturen nærmer sig det absolutte nulpunkt (-200 0C eller lavere), det er muligt at observere næsten tabsfri varmeoverførsel.

En bølge af kvantevarme

Situationen er meget anderledes i todimensionelle materialer, som vist af forskere ved EPFL. Deres arbejde viser, at varme kan forplante sig uden væsentlige tab i 2D selv ved stuetemperatur, takket være fænomenet bølgelignende diffusion, kaldet "anden lyd". I det tilfælde, alle fononer marcherer sammen i forening over meget lange afstande. "Vores simuleringer, baseret på de første principper fysik, har vist, at atomisk tynde ark af materialer opfører sig, selv ved stuetemperatur, på samme måde som tredimensionelle materialer ved ekstremt lave temperaturer," siger Andrea Cepellotti, undersøgelsens første forfatter. "Vi kan vise, at den termiske transport er beskrevet af bølger, ikke kun i grafen, men også i andre materialer, der ikke er blevet undersøgt endnu, " forklarer Cepellotti. "Dette er en ekstremt værdifuld information for ingeniører, som kunne udnytte designet af fremtidige elektroniske komponenter ved hjælp af nogle af disse nye todimensionelle materialeegenskaber."