En studie publicerad i Vetenskapliga framsteg rapporter om den oväntade observationen av termiska vågor i germanium, ett halvledarmaterial, för första gången. Detta fenomen kan möjliggöra en betydande förbättring av prestandan hos våra elektroniska enheter inom en snar framtid. Studien leds av forskare från Institutet för materialvetenskap i Barcelona (ICMAB, CSIC) i samarbete med forskare från Universitat Autònoma de Barcelona, och University of Cagliari.

Värme, som vi vet det, härrör från atomernas vibrationer, och överföringar genom diffusion vid omgivningstemperaturer. Tyvärr, det är ganska svårt att kontrollera, och leder till enkla och ineffektiva strategier för manipulation. Det här är varför, till exempel, stora mängder restvärme kan samlas i våra datorer, mobiltelefoner och, i allmänhet, de flesta elektroniska enheter.

Dock, om värme transporterades genom vågor, som ljus, det skulle erbjuda nya alternativ för att kontrollera det, särskilt genom vågornas unika och inneboende egenskaper.

Termiska vågor har hittills observerats endast i få material, såsom fast helium eller, på senare tid, i grafit. Nu, studien publicerad i Vetenskapliga framsteg av forskare från Institute of Materials Science i Barcelona (ICMAB, CSIC) i samarbete med forskare från Universitat Autònoma de Barcelona, och University of Cagliari, rapporter om observation av termiska vågor på fast germanium, ett halvledarmaterial som vanligtvis används inom elektronik, liknar kisel, och vid rumstemperatur. "Det förväntades inte att möta dessa vågliknande effekter, känt som andra ljud, på denna typ av material, och under dessa förhållanden, " säger Sebastián Reparaz, ICMAB Forskare vid gruppen Nanostructured Materials for Optoelectronics and Energy Harvesting (NANOPTO) och ledare för denna studie.

Observationen inträffade när man studerade den termiska responsen hos ett germaniumprov under inverkan av lasrar, producerar en högfrekvent oscillerande värmevåg på dess yta. Experimenten visade att tvärtemot vad man trodde fram till nu, värme försvann inte genom diffusion, men det fortplantade sig in i materialet genom termiska vågor.

Förutom själva observationen, i studien, forskare avslöjar metoden för att låsa upp observationen av termiska vågor, möjligen i vilket materialsystem som helst.

Vad är andra ljud och hur kan det observeras i något material

Först observerad på 1960 -talet på fast helium, termisk transport genom vågor, känt som andra ljud, har varit ett återkommande ämne för forskare som upprepade gånger försökt påvisa dess existens i andra material. Nyligen framgångsrika demonstrationer av detta fenomen på grafit har återupplivat dess experimentella studie.

"Andra ljudet är den termiska regimen där värme kan sprida sig i form av termiska vågor, istället för den ofta observerade diffusiva regimen. Denna typ av vågliknande termisk transport har många av fördelarna med vågor, inklusive interferens och diffraktion", säger ICMAB-forskaren Sebastián Reparaz.

"Vågliknande effekter kan låsas upp genom att köra systemet i ett snabbt varierande temperaturfält. Med andra ord, ett snabbt varierande temperaturfält tvingar fram värmens utbredning i det vågliknande regimen" förklarar Reparaz, och tillägger, "Den intressanta slutsatsen av vårt arbete är att dessa vågliknande effekter potentiellt kan observeras av de flesta material vid en tillräckligt stor moduleringsfrekvens av temperaturfältet. Och, vad är ännu mer intressant, dess observation är inte begränsad till vissa specifika material."

Tillämpningar av andra ljud inom en snar framtid

"De möjliga tillämpningarna av andra ljud är obegränsade", säger Sebastián Reparaz. Uppnå dessa applikationer, dock, kommer att kräva en djup förståelse av sätten att låsa upp denna termiska utbredningsregim på ett givet material. Att kunna kontrollera värmeutbredning genom vågornas egenskaper öppnar nya sätt att designa de kommande generationerna av termiska enheter, på liknande sätt som den redan etablerade utvecklingen för ljus. "Specifikt, den andra termiska ljudregimen skulle kunna användas för att ompröva hur vi hanterar spillvärme", han lägger till.

Ur en teoretisk synvinkel, "dessa fynd gör det möjligt att förena den nuvarande teoretiska modellen, som hittills ansett att material där denna typ av vågliknande beteende observerats (som grafit) skilde sig mycket från de halvledarmaterial som för närvarande används vid tillverkning av elektroniska chips (som kisel och germanium)", säger F. Xavier Álvarez, forskare vid UAB. "Nu kan alla dessa material beskrivas med hjälp av samma ekvationer. Denna observation skapar ett nytt teoretiskt ramverk som inom en inte alltför avlägsen framtid kan möjliggöra en betydande förbättring av prestanda för våra elektroniska enheter, ", tillägger Álvarez.