EPFL-forskare har kastat nytt ljus över de grundläggande mekanismerna för värmeavledning i grafen och andra tvådimensionella material. De har visat att värme kan fortplanta sig som en våg över mycket långa avstånd. Detta är nyckelinformation för att utveckla morgondagens elektronik.

I kapplöpningen om att miniatyrisera elektroniska komponenter, forskare utmanas med ett stort problem:ju mindre eller desto snabbare din enhet, desto mer utmanande är det att kyla ner det. En lösning för att förbättra kylningen är att använda material med mycket hög värmeledningsförmåga, som grafen, för att snabbt avleda värme och därigenom kyla ner kretsarna.

Just nu, dock, potentiella tillämpningar står inför ett grundläggande problem:hur fortplantas värme inuti dessa ark av material som inte är mer än några atomer tjocka?

I en studie publicerad i Naturkommunikation , ett team av EPFL-forskare har kastat nytt ljus över mekanismerna för värmeledningsförmåga i grafen och andra tvådimensionella material. De har visat att värme fortplantar sig i form av en våg, precis som ljud i luften. Detta var hittills ett mycket oklart fenomen som observerats i få fall vid temperaturer nära den absoluta nollpunkten. Deras simuleringar är ett värdefullt verktyg för forskare som studerar grafen, om man ska kyla ner kretsar på nanoskala, eller att ersätta kisel i morgondagens elektronik.

Kvasi-förlustfri förökning

Om det hittills har varit svårt att förstå utbredningen av värme i tvådimensionella material, det beror på att dessa lakan beter sig på oväntade sätt jämfört med sina tredimensionella kusiner. Faktiskt, de kan överföra värme med extremt begränsade förluster, även vid rumstemperatur.

Rent generellt, värme fortplantas i ett material genom atomers vibration. Dessa vibrationer kallas "fononer", och när värme fortplantar sig genom ett tredimensionellt material, , dessa fononer fortsätter att kollidera med varandra, smälter samman, eller splittring. Alla dessa processer kan begränsa värmeledningsförmågan längs vägen. Endast under extrema förhållanden, när temperaturen går nära den absoluta nollpunkten (-200 0C eller lägre), det är möjligt att observera kvasiförlustfri värmeöverföring.

En våg av kvantvärme

Situationen är mycket annorlunda i tvådimensionella material, som visat av forskare vid EPFL. Deras arbete visar att värme kan fortplantas utan betydande förluster i 2D även vid rumstemperatur, tack vare fenomenet vågliknande diffusion, kallas "andra ljud". Isåfall, alla fononer marscherar tillsammans unisont över mycket långa avstånd. "Våra simuleringar, baserad på fysik från de första principerna, har visat att atomärt tunna ark av material beter sig, även vid rumstemperatur, på samma sätt som tredimensionella material vid extremt låga temperaturer", säger Andrea Cepellotti, studiens första författare. "Vi kan visa att den termiska transporten beskrivs av vågor, inte bara i grafen utan även i andra material som inte har studerats ännu, " förklarar Cepellotti. "Detta är extremt värdefull information för ingenjörer, som skulle kunna utnyttja designen av framtida elektroniska komponenter med några av dessa nya tvådimensionella materialegenskaper."