p Uma colaboração liderada pela UA de físicos e químicos descobriu que a temperatura se comporta de maneiras estranhas e inesperadas no grafeno, um material que deixou os cientistas entusiasmados com seu potencial para novos dispositivos tecnológicos que vão da computação à medicina. p Imagine colocar uma frigideira no fogão e aumentar o calor, apenas para descobrir que em alguns pontos a manteiga não está derretendo porque parte da frigideira permanece em temperatura ambiente. O que parece um cenário impossível na cozinha é exatamente o que acontece no estranho mundo da física quântica, pesquisadores da Universidade do Arizona descobriram.

p As evidências, publicado na revista científica Revisão Física B , sugerem que os efeitos quânticos desempenham um papel na forma como o calor se move através de um material, desafiando a noção clássica de que o calor simplesmente se difunde de um ponto quente para um ponto frio até que a temperatura seja a mesma em todo o corpo.

p O controle quântico da temperatura em um nível de microescala poderia algum dia permitir novas tecnologias, por exemplo, na computação, monitoramento ambiental e medicina.

p "Ninguém viu esses efeitos quânticos na propagação da temperatura antes, "disse Charles Stafford, um professor do Departamento de Física da UA que é co-autor do artigo. "A difusão de calor sempre foi pensada como um processo que você não pode afetar. Normalmente, um padrão de pontos quentes e frios dentro de um material seria eliminado pelo fluxo inexorável de calor dos pontos quentes para os pontos frios adjacentes. "

p Não no estranho mundo do grafeno. O material - uma folha de átomos de carbono ligados em um hexagonal, estrutura de tela metálica - é uma grande promessa para a microeletrônica. Apenas um átomo fino e altamente condutor, o grafeno pode um dia substituir os microchips de silício convencionais, tornando os dispositivos menores, mais rápido e com maior eficiência energética. Além de possíveis aplicações em circuitos integrados, células solares, bio dispositivos miniaturizados e sensores de moléculas de gás, o material atraiu a atenção dos físicos por suas propriedades únicas na condução de eletricidade em nível atômico.

p "Descobrimos que os elétrons que transportam calor se propagam como ondas quânticas bidimensionais, "Stafford disse, "e as ondulações nessas ondas devem levar a pontos quentes e frios que persistem, desafiando nossa compreensão cotidiana de temperatura e fluxo de calor. "

p O que mais, "o tamanho dessas ondulações é controlável no grafeno, de modo que este estranho fenômeno deve ser observado com microscópios térmicos de varredura de última geração, oferecendo uma visão única da natureza da temperatura e do transporte de calor no nível quântico, "escrevem os autores.

p "Em outras palavras, este não é apenas um resultado conceitual, mas você deve ser capaz de observar esse fenômeno com as técnicas de laboratório atuais, "Stafford disse.

p Depois de prever tipos semelhantes de ondas de temperatura ao longo de moléculas únicas - muito pequenas para aplicações tecnológicas - em simulações de computador publicadas anteriormente, Stafford e sua equipe agora fornecem a base para observar a transferência quântica de calor com a tecnologia disponível.

p "Sob certas condições, pode-se fazer esses comprimentos de onda de 20 nanômetros ou mais, bem no reino da resolução atual da microscopia térmica de varredura, "Stafford disse.

p Embora os autores enfatizem que seu artigo não trata de aplicações imediatas, a descoberta de pontos quentes e frios coexistindo na mesma folha de grafeno pode oferecer maneiras de usar o grafeno como um condutor de calor quântico para resfriar dispositivos eletrônicos.

p "À medida que os dispositivos ficam cada vez menores, há um grande impulso na tecnologia para ser capaz de gerenciar a temperatura em um nível de nanoescala, "Stafford disse." Por exemplo, se quisermos melhorar o hardware de processamento, precisamos entender o fluxo de calor nesse nível, e isso exige que traga nosso conhecimento do quadro-negro da física teórica para ser reconhecido em um ambiente de laboratório. "

p As medições de temperatura com resolução nanométrica são tecnologicamente necessárias, por exemplo, para caracterizar o desempenho térmico e os mecanismos de falha de dispositivos semicondutores, ou para investigar a transferência de bioaquecimento em nível molecular para o tratamento de câncer ou doenças cardiovasculares.

p "Por meio do transporte quântico de calor, deve ser possível alcançar o resfriamento local no nível de microescala que seria impossível de alcançar pelo transporte de calor clássico, "Stafford explicou." Em uma arquitetura de computação típica de chips bidimensionais, você tem que drenar o excesso de calor ao longo das bordas, e isso se torna cada vez mais difícil à medida que tudo se torna cada vez menor. Se, em vez de resfriar toda a estrutura, você pudesse resfriar seletivamente certos processos microscopicamente pequenos no chip, seria uma grande vantagem. "

p Além disso, efeitos quânticos podem oferecer novos métodos para contornar desafios tecnológicos de longa data, sugerindo que a investigação de efeitos térmicos "sensíveis à fase" poderia abrir a porta para dispositivos de transporte de calor de engenharia quântica.