Ett team av fysiker på CU Boulder har löst mysteriet bakom ett förvirrande fenomen i nanovärlden:varför vissa ultrasmå värmekällor kyls ner snabbare om du packar dem närmare varandra. Resultaten, publiceras idag i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), skulle en dag kunna hjälpa den tekniska industrin att designa snabbare elektroniska enheter som överhettas mindre.

"Ofta, värme är en utmanande faktor vid design av elektronik. Du bygger en enhet och upptäcker sedan att den värms upp snabbare än önskat, " sa studiens medförfattare Joshua Knobloch, postdoktor vid JILA, ett gemensamt forskningsinstitut mellan CU Boulder och National Institute of Standards and Technology (NIST). "Vårt mål är att förstå den grundläggande fysiken som är involverad så att vi kan konstruera framtida enheter för att effektivt hantera värmeflödet."

Forskningen började med en oförklarad observation:2015, forskare ledda av fysikerna Margaret Murnane och Henry Kapteyn vid JILA experimenterade med metallstänger som var många gånger tunnare än bredden på ett människohår på en silikonbas. När de värmde upp stängerna med en laser, något konstigt hände.

"De betedde sig väldigt kontraintuitivt, " sade Knobloch. "Dessa värmekällor i nanoskala avleder vanligtvis inte värme effektivt. Men om du packar dem nära varandra, de svalnar mycket snabbare."

Nu, forskarna vet varför det händer.

I den nya studien, de använde datorbaserade simuleringar för att spåra värmepassage från deras nanostora barer. De upptäckte att när de placerade värmekällorna nära varandra, vibrationerna av energi de producerade började studsa av varandra, sprider bort värmen och kyler ner stängerna.

Gruppens resultat belyser en stor utmaning i att designa nästa generation av små enheter, som mikroprocessorer eller kvantdatorchips:När du krymper ner till mycket små skalor, värme beter sig inte alltid som du tror att den ska.

Atom för atom

Värmeöverföringen i enheter har betydelse, tillade forskarna. Även små defekter i designen av elektronik som datorchips kan tillåta temperatur att byggas upp, lägga till slitage på en enhet. När teknikföretag strävar efter att producera mindre och mindre elektronik, de kommer att behöva ägna mer uppmärksamhet än någonsin tidigare åt fononer – vibrationer av atomer som bär värme i fasta ämnen.

"Värmeflöde involverar mycket komplexa processer, gör det svårt att kontrollera, " sa Knobloch. "Men om vi kan förstå hur fononer beter sig i liten skala, då kan vi skräddarsy deras transporter, så att vi kan bygga mer effektiva enheter."

För att göra just det, Murnane och Kapteyn och deras team av experimentella fysiker gick samman med en grupp teoretiker ledda av Mahmoud Hussein, professor vid Ann och H.J. Smead-avdelningen för flygteknikvetenskaper. Hans grupp är specialiserad på att simulera, eller modellering, fononernas rörelse.

"På atomär skala, själva karaktären av värmeöverföring framträder i ett nytt ljus, sa Hussein, som även har en artighetstjänst på Fysiska institutionen.

Forskarna, väsentligen, återskapade sitt experiment från flera år tidigare, men den här gången, helt på en dator. De modellerade en serie kiselstänger, lades sida vid sida som lamellerna i ett tågspår och värmde upp dem.

Simuleringarna var så detaljerade, Knobloch sa, att teamet kunde följa beteendet hos varje atom i modellen – miljoner av dem totalt – från början till slut.

"Vi tänjde verkligen på gränserna för minnet av Summit Supercomputer på CU Boulder, " han sa.

Styr värme

Tekniken gav resultat. Forskarna fann, till exempel, att när de placerade sina silikonstänger tillräckligt långt isär, värme tenderade att fly bort från dessa material på ett förutsägbart sätt. Energin läckte från stängerna och in i materialet under dem, försvinner åt alla håll.

När stängerna kom närmare varandra, dock, något annat hände. När värmen från dessa källor spreds, det tvingade effektivt den energin att flöda mer intensivt bort från källorna – som en skara människor på en stadion som knuffade mot varandra och så småningom hoppade ut ur utgången. Teamet betecknade detta fenomen "riktad termisk kanalisering."

"Detta fenomen ökar transporten av värme ner i substratet och bort från värmekällorna, sa Knobloch.

Forskarna misstänker att ingenjörer en dag skulle kunna utnyttja detta ovanliga beteende för att få bättre grepp om hur värme strömmar i liten elektronik - rikta den energin längs en önskad väg, istället för att låta det flöda fritt.

Tills vidare, forskarna ser den senaste studien som vad forskare från olika discipliner kan göra när de arbetar tillsammans.

"Detta projekt var ett så spännande samarbete mellan vetenskap och ingenjörskonst - där avancerade beräkningsmetoder utvecklade av Mahmouds grupp var avgörande för att förstå nytt materialbeteende som tidigare upptäckts av vår grupp med hjälp av nya extrema ultravioletta kvantljuskällor, sade Murnane, också professor i fysik.

Andra CU Boulder medförfattare till den nya forskningen inkluderar Hossein Honarvar, en postdoktor i flygtekniska vetenskaper och JILA och Brendan McBennett, en doktorand vid JILA. Tidigare JILA-forskare Travis Frazer, Begoña Abad och Jorge Hernandez-Charpak bidrog också till studien.