I fynd som kan hjälpa till att övervinna ett stort tekniskt hinder på vägen mot mindre och kraftfullare elektronik, ett internationellt forskargrupp som involverar ingenjörsforskare från University of Michigan, har visat de unika sätt på vilka värme försvinner vid de minsta skalorna.

Ett papper om forskningen publiceras i den 13 juni upplagan av Natur .

När en ström passerar genom ett material som leder elektricitet, det genererar värme. Att förstå var temperaturen kommer att stiga i ett elektroniskt system hjälper ingenjörer att designa pålitliga, högpresterande datorer, mobiltelefoner och medicintekniska produkter, till exempel. Medan värmeproduktion i större kretsar är väl förstådd, klassisk fysik kan inte beskriva förhållandet mellan värme och elektricitet i slutet av nanoskala - där enheter är ungefär en nanometer stora och består av bara några atomer.

Under de kommande två decennierna datavetenskapliga och tekniska forskare förväntas arbeta i denna "atomära" skala, enligt Pramod Reddy, U-M biträdande professor i maskinteknik och materialvetenskap och teknik som ledde forskningen.

"Med en storlek på 20 eller 30 nanometer, de aktiva regionerna i dagens transistorer har mycket små dimensioner, "Sa Reddy." Men om industrin håller jämna steg med Moores lag och fortsätter att krympa storleken på transistorer för att fördubbla deras densitet på en krets så är atomvågorna inte långt borta.

"Det viktigaste då är att förstå förhållandet mellan värmeavledningen och enhetens elektroniska struktur, i avsaknad av vilken du inte riktigt kan utnyttja atomskalan. Detta arbete ger insikter om det för första gången. "

Forskarna har experimentellt visat hur ett atomskalsystem värms upp, och hur detta skiljer sig från processen i makroskala. De utarbetade också en ram för att förklara processen.

I det påtagliga, makroskala världen, när elektricitet går genom en tråd, hela tråden värms upp, liksom alla elektroder längs den. I kontrast, när "tråden" är en molekyl i nanometerstorlek och endast förbinder två elektroder, temperaturen stiger främst i en av dem.

"I en atomskalanordning, all uppvärmning är koncentrerad på ett ställe och mindre på andra ställen, "Sa Reddy.

För att åstadkomma detta, forskare i Reddys lab-doktorander Woochul Lee och Wonho Jeong och postdoktor Kyeongtae Kim-utvecklade tekniker för att skapa stabila atomskalanordningar och designade och byggde en anpassad nanoskala-termometer integrerad i en konformad enhet. Enstaka molekyler eller atomer fångades mellan den konformade anordningen och en tunn tallrik med guld för att studera värmeavledning i prototypiska kretsar i molekylär skala.

"Resultaten från detta arbete bekräftar också giltigheten av en värmeavledningsteori som ursprungligen föreslogs av Rolf Landauer, en fysiker från IBM, "Sa Reddy." Vidare, insikterna från detta arbete möjliggör också en djupare förståelse av sambandet mellan värmeavledning och termoelektriska fenomen i atomskala, vilket är omvandling av värme till elektricitet. "