Na estrada da transferência de calor, a energia térmica é movida por meio de partículas quânticas chamadas fônons. Mas na nanoescala dos semicondutores mais avançados da atualidade, esses fônons não removem calor suficiente. É por isso que os pesquisadores da Purdue University estão focados em abrir uma nova via em nanoescala na rodovia de transferência de calor, usando quasipartículas híbridas chamadas “polaritons”.



Thomas Beechem adora transferência de calor. Ele fala sobre isso em voz alta e com orgulho, como um pregador em uma grande tenda de reavivamento.

“Temos várias maneiras de descrever a energia”, disse Beechem, professor associado de engenharia mecânica. “Quando falamos sobre luz, descrevemo-la em termos de partículas chamadas ‘fótons’. O calor também transporta energia de maneiras previsíveis, e descrevemos essas ondas de energia como “fônons”. Mas às vezes, dependendo do material, fótons e fônons se juntam e formam algo novo chamado ‘polariton’. Ele carrega energia à sua maneira, distinta tanto dos fótons quanto dos fônons."

Assim como os fótons e os fônons, os polaritons não são partículas físicas que você pode ver ou capturar. São mais como formas de descrever a troca de energia como se fossem partículas.

Ainda confuso? Que tal outra analogia? “Os fônons são como veículos de combustão interna e os fótons são como veículos elétricos”, disse Beechem. "Polaritons são um Toyota Prius. Eles são um híbrido de luz e calor e retêm algumas das propriedades de ambos. Mas são especiais."

Polaritons têm sido usados ​​em aplicações ópticas – desde vitrais até testes de saúde domésticos. Mas a sua capacidade de transportar calor tem sido largamente ignorada, porque o seu impacto só se torna significativo quando o tamanho dos materiais se torna muito pequeno. “Sabemos que os fônons realizam a maior parte do trabalho de transferência de calor”, disse Jacob Minyard, Ph.D. estudante no laboratório de Beechem.

"O efeito dos polaritons só é observável em nanoescala. Mas nunca precisamos abordar a transferência de calor nesse nível até agora, por causa dos semicondutores."

“Os semicondutores tornaram-se incrivelmente pequenos e complexos”, continuou ele. "As pessoas que projetam e constroem esses chips estão descobrindo que os fônons não dispersam o calor de maneira eficiente nessas escalas muito pequenas. Nosso artigo demonstra que nessas escalas de comprimento, os polaritons podem contribuir com uma parcela maior de condutividade térmica."

Sua pesquisa sobre polaritons foi selecionada como Artigo em Destaque no Journal of Applied Physics .

"Nós, da comunidade de transferência de calor, temos sido muito específicos ao descrever o efeito dos polaritons", disse Beechem. "Alguém irá observá-lo neste material ou naquela interface. É tudo muito díspar. O artigo de Jacob estabeleceu que isso não é algo aleatório. Os polaritons começam a dominar a transferência de calor em qualquer superfície mais fina que 10 nanômetros. Isso é duas vezes maior como os transistores de um iPhone 15."

Agora Beechem fica realmente entusiasmado. "Basicamente, abrimos toda uma faixa extra na rodovia. E quanto menores as escalas ficam, mais importante essa faixa extra se torna. À medida que os semicondutores continuam a diminuir, precisamos pensar em projetar o fluxo de tráfego para aproveitar ambos pistas:fônons e polaritons.

O artigo de Minyard apenas arranha a superfície de como isso pode acontecer na prática. A complexidade dos semicondutores significa que há muitas oportunidades para capitalizar projetos compatíveis com o polariton. “Existem muitos materiais envolvidos na fabricação de chips, desde o próprio silício até dielétricos e metais”, disse Minyard. "O caminho a seguir para a nossa investigação é compreender como estes materiais podem ser usados ​​para conduzir o calor de forma mais eficiente, reconhecendo que os polaritons fornecem uma via totalmente nova para movimentar a energia."

Reconhecendo isso, Beechem e Minyard querem mostrar aos fabricantes de chips como incorporar esses princípios de transferência de calor em nanoescala baseados em polariton diretamente no design físico do chip – desde os materiais físicos envolvidos até a forma e espessura das camadas.

Embora este trabalho seja teórico agora, a experimentação física está no horizonte - e é por isso que Beechem e Minyard estão felizes por estar em Purdue.

“A comunidade de transferência de calor aqui em Purdue é muito robusta”, disse Beechem. "Podemos literalmente subir e conversar com Xianfan Xu, que teve uma das primeiras realizações experimentais desse efeito. Depois, podemos ir até o Flex Lab e perguntar a Xiulin Ruan sobre seu trabalho pioneiro em espalhamento de fônons. E temos as instalações aqui no Birck Nanotechnology Center para construir experimentos em nanoescala e usar ferramentas de medição únicas para confirmar nossas descobertas. É realmente o sonho de qualquer pesquisador.

Mais informações: Jacob Minyard et al, Características dos materiais que governam a condutância térmica do fônon-polariton no plano, Journal of Applied Physics (2023). DOI:10.1063/5.0173917
Informações do diário: Revista de Física Aplicada

Fornecido pela Purdue University