Um estudo publicado em Avanços da Ciência relatórios sobre a observação inesperada de ondas térmicas no germânio, um material semicondutor, pela primeira vez. Este fenômeno pode permitir uma melhoria significativa no desempenho de nossos dispositivos eletrônicos em um futuro próximo. O estudo é liderado por pesquisadores do Instituto de Ciência dos Materiais de Barcelona (ICMAB, CSIC) em colaboração com pesquisadores da Universitat Autònoma de Barcelona, e a Universidade de Cagliari.

Aquecer, como nós sabemos, origina-se da vibração dos átomos, e transferências por difusão à temperatura ambiente. Infelizmente, é bastante difícil de controlar, e leva a estratégias simples e ineficientes de manipulação. Isso é por que, por exemplo, grandes quantidades de calor residual podem se acumular em nossos computadores, telefones celulares e, em geral, a maioria dos dispositivos eletrônicos.

Contudo, se o calor fosse transportado por ondas, como luz, ofereceria novas alternativas para controlá-lo, especialmente por meio das propriedades únicas e intrínsecas das ondas.

Ondas térmicas foram observadas até o momento apenas em alguns materiais, como o hélio sólido ou, mais recentemente, em grafite. Agora, o estudo publicado em Avanços da Ciência por pesquisadores do Instituto de Ciência dos Materiais de Barcelona (ICMAB, CSIC) em colaboração com pesquisadores da Universitat Autònoma de Barcelona, e a Universidade de Cagliari, relatórios sobre a observação de ondas térmicas em germânio sólido, um material semicondutor usado normalmente em eletrônica, semelhante ao silício, e à temperatura ambiente. "Não era esperado encontrar esses efeitos de onda, conhecido como segundo som, neste tipo de material, e nessas condições, "diz Sebastián Reparaz, Pesquisador do ICMAB do Grupo de Materiais Nanoestruturados para Optoeletrônica e Coleta de Energia (NANOPTO) e líder deste estudo.

A observação ocorreu ao estudar a resposta térmica de uma amostra de germânio sob efeito de lasers, produzindo uma onda de aquecimento oscilante de alta frequência em sua superfície. Os experimentos mostraram que, ao contrário do que se acreditava até agora, o calor não se dissipou por difusão, mas se propagou para o material por meio de ondas térmicas.

Além da observação em si, no estudo, pesquisadores revelam a abordagem para desbloquear a observação de ondas térmicas, possivelmente em qualquer sistema material.

O que é o segundo som e como pode ser observado em qualquer material

Observado pela primeira vez na década de 1960 em hélio sólido, transporte térmico através das ondas, conhecido como segundo som, tem sido um assunto recorrente para pesquisadores que tentaram repetidamente demonstrar sua existência em outros materiais. As recentes demonstrações bem-sucedidas desse fenômeno no grafite revitalizaram seu estudo experimental.

"O segundo som é o regime térmico onde o calor pode se propagar na forma de ondas térmicas, em vez do regime difusivo frequentemente observado. Este tipo de transporte térmico semelhante a ondas tem muitas das vantagens oferecidas pelas ondas, incluindo interferência e difração ", afirma o pesquisador do ICMAB Sebastián Reparaz.

"Os efeitos de onda podem ser desbloqueados conduzindo o sistema em um campo de temperatura que varia rapidamente. Em outras palavras, um campo de temperatura que varia rapidamente força a propagação do calor no regime de onda ", explica Reparaz, e adiciona, "A conclusão interessante do nosso trabalho é que esses efeitos de onda poderiam ser potencialmente observados pela maioria dos materiais a uma frequência de modulação suficientemente grande do campo de temperatura. E, o que é ainda mais interessante, sua observação não se restringe a alguns materiais específicos. "

Aplicações de segundo som em um futuro próximo

"As possíveis aplicações do segundo som são ilimitadas", diz Sebastián Reparaz. Alcançar esses aplicativos, Contudo, exigirá um entendimento profundo sobre as maneiras de desbloquear este regime de propagação térmica em qualquer material. Ser capaz de controlar a propagação de calor através das propriedades das ondas abre novas maneiras de projetar as próximas gerações de dispositivos térmicos, de forma semelhante aos desenvolvimentos já estabelecidos para a luz. "Especificamente, o segundo regime térmico de som poderia ser usado para repensar como lidamos com o calor residual ", ele adiciona.

Do ponto de vista teórico, "essas descobertas permitem unificar o modelo teórico atual, que até agora considerava que os materiais onde este tipo de comportamento ondulatório era observado (como o grafite) eram muito diferentes dos materiais semicondutores usados ​​atualmente na fabricação de chips eletrônicos (como o silício e o germânio) ", diz F. Xavier Álvarez, pesquisadora da UAB. “Agora todos esses materiais podem ser descritos usando as mesmas equações. Essa observação estabelece um novo arcabouço teórico que pode permitir em um futuro não muito distante uma melhoria significativa no desempenho de nossos dispositivos eletrônicos, "acrescenta Álvarez.