Opdagelse i nanoskala kan hjælpe med at afkøle overophedning i elektronik

Et hold fysikere ved CU Boulder har løst mysteriet bag et forvirrende fænomen i nano-riget:hvorfor nogle ultrasmå varmekilder afkøles hurtigere, hvis du pakker dem tættere sammen. Fundene, offentliggjort i dag i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), kunne en dag hjælpe tech-industrien med at designe hurtigere elektroniske enheder, der overophedes mindre.

"Tit, varme er en udfordrende overvejelse ved design af elektronik. Du bygger en enhed og opdager, at den opvarmes hurtigere end ønsket, " sagde studie medforfatter Joshua Knobloch, postdoc ved JILA, et fælles forskningsinstitut mellem CU Boulder og National Institute of Standards and Technology (NIST). "Vores mål er at forstå den grundlæggende fysik involveret, så vi kan konstruere fremtidige enheder til effektivt at styre varmestrømmen."

Forskningen begyndte med en uforklarlig observation:I 2015, forskere ledet af fysikerne Margaret Murnane og Henry Kapteyn ved JILA eksperimenterede med metalstænger, der var mange gange tyndere end bredden af ​​et menneskehår på en siliciumbase. Da de varmede stængerne op med en laser, der skete noget mærkeligt.

"De opførte sig meget kontraintuitivt, " sagde Knobloch. "Disse varmekilder i nanoskala spreder normalt ikke varme effektivt. Men hvis du pakker dem tæt sammen, de køler meget hurtigere ned."

Nu, forskerne ved, hvorfor det sker.

I den nye undersøgelse, de brugte computerbaserede simuleringer til at spore passagen af ​​varme fra deres nanostørrelser. De opdagede, at når de placerede varmekilderne tæt sammen, vibrationerne af energi, de producerede, begyndte at prelle af hinanden, sprede varme væk og køler stængerne ned.

Gruppens resultater fremhæver en stor udfordring i at designe den næste generation af små enheder, mikroprocessorer eller kvantecomputerchips:Når du skrumper ned til meget små skalaer, varme opfører sig ikke altid, som du tror, ​​den skal.

Atom for atom

Overførsel af varme i enheder har betydning, tilføjede forskerne. Selv små defekter i designet af elektronik som computerchips kan tillade temperatur at bygge op, tilføjer slid på en enhed. Mens teknologivirksomheder stræber efter at producere mindre og mindre elektronik, de bliver nødt til at være mere opmærksomme end nogensinde før på fononer - vibrationer af atomer, der bærer varme i faste stoffer.

"Varmestrøm involverer meget komplekse processer, gør det svært at kontrollere, " sagde Knobloch. "Men hvis vi kan forstå, hvordan fononer opfører sig i lille skala, så kan vi skræddersy deres transport, giver os mulighed for at bygge mere effektive enheder."

For at gøre netop det, Murnane og Kapteyn og deres team af eksperimentelle fysikere gik sammen med en gruppe teoretikere ledet af Mahmoud Hussein, professor i Ann og H.J. Smeads afdeling for rumfartsingeniørvidenskab. Hans gruppe har specialiseret sig i at simulere, eller modellering, fononernes bevægelse.

"På atomær skala, selve naturen af ​​varmeoverførsel dukker op i et nyt lys, sagde Hussein, som også har en høflighedsansættelse i Fysisk Institut.

Forskerne, i det væsentlige, genskabte deres eksperiment fra flere år før, men denne gang, helt på en computer. De modellerede en række siliciumstænger, lagt side om side som lamellerne i et togspor og varmet dem op.

Simuleringerne var så detaljerede, Knobloch sagde, at holdet kunne følge opførselen af ​​hvert eneste atom i modellen – millioner af dem i alt – fra start til slut.

"Vi skubbede virkelig grænserne for hukommelsen af ​​Summit Supercomputer på CU Boulder, " han sagde.

Ledende varme

Teknikken gav pote. Forskerne fandt, for eksempel, at når de placerede deres siliciumstænger langt nok fra hinanden, varme havde en tendens til at slippe væk fra disse materialer på en forudsigelig måde. Energien lækkede fra stængerne og ind i materialet under dem, spredes i alle retninger.

Da stængerne kom tættere på hinanden, imidlertid, der skete noget andet. Da varmen fra disse kilder spredtes, det tvang effektivt den energi til at flyde mere intenst væk fra kilderne – som en flok mennesker på et stadion, der stødte mod hinanden og til sidst sprang ud af udgangen. Holdet betegnede dette fænomen "retningsbestemt termisk kanalisering."

"Dette fænomen øger transporten af ​​varme ned i underlaget og væk fra varmekilderne, " sagde Knobloch.

Forskerne har mistanke om, at ingeniører en dag kunne udnytte denne usædvanlige adfærd for at få et bedre greb om, hvordan varmen flyder i lille elektronik - dirigere den energi ad en ønsket vej, i stedet for at lade det løbe vildt og frit.

For nu, forskerne ser det seneste studie som det, forskere fra forskellige discipliner kan, når de arbejder sammen.

"Dette projekt var et så spændende samarbejde mellem videnskab og ingeniørvidenskab - hvor avancerede beregningsmetoder udviklet af Mahmouds gruppe var afgørende for at forstå nye materialers adfærd, som tidligere blev afsløret af vores gruppe ved hjælp af nye ekstreme ultraviolette kvantelyskilder, " sagde Murnane, også professor i fysik.

Andre CU Boulder medforfattere på den nye forskning omfatter Hossein Honarvar, en postdoc forsker i rumfartsingeniørvidenskab og JILA og Brendan McBennett, en kandidatstuderende ved JILA. Tidligere JILA-forskere Travis Frazer, Begoña Abad og Jorge Hernandez-Charpak bidrog også til undersøgelsen.