p Os pesquisadores estão aplicando o mesmo "modelo de transporte hidrodinâmico" usado para estudar o fluxo em fluidos para explicar o transporte de calor em um semicondutor sólido, com implicações potenciais para o projeto de transistores e lasers de alta velocidade. p Imagens térmicas de pequenas fontes de calor semicondutoras em nanoescala revelaram detalhes sobre vórtices de objetos portadores de calor chamados fônons.

p As novas descobertas têm implicações potencialmente importantes para "interferência térmica, "em que várias fontes de calor próximas umas das outras impactam a temperatura geral do sistema, dificultando o desempenho. Os pesquisadores usaram uma técnica chamada termografia de campo completo para visualizar diretamente as mudanças de temperatura produzidas por fontes de calor ultrapequenas, tiras de ouro formadas no topo do arsenieto de gálio e índio semicondutor.

p A pesquisa trata do papel crucial dos fônons, objetos da mecânica quântica, ou "quasipartículas, "que descreve como as vibrações viajam através da estrutura cristalina de um material. Os fônons são chamados de" portadores de calor "em materiais sólidos.

p "Esta é a primeira vez que tais efeitos hidrodinâmicos são indiretamente observados para a propagação de calor em um sólido, "disse Ali Shakouri, Mary Jo e Robert L. Kirk da Purdue University, Diretor do Birck Nanotechnology Center e professor de engenharia elétrica e de computação. "Embora estruturas chamadas vórtices sejam comuns em fluxos de fluidos, como água ou ar, esta é a primeira vez que vimos que eles podem estar presentes dentro de sólidos para o fluxo de fônons no arsenieto de gálio e índio semicondutor típico, que é usado em transistores e lasers de alta velocidade. "

p As descobertas são detalhadas em um artigo de pesquisa publicado em 17 de janeiro em Nature Communications .

p "A redução de crosstalk térmica observada tem implicações importantes no projeto de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos em nanoescala, "disse o associado de pesquisa de pós-doutorado de Purdue, Amirkoushyar Ziabari, o autor principal do artigo. "À medida que o tamanho dos dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos está ficando menor, há cada vez mais dispositivos sendo embalados em uma área menor, portanto, a interferência térmica entre esses dispositivos torna-se importante. Conhecer o comportamento térmico preciso na vizinhança e alguns mícrons de fontes de calor ajudaria a projetar dispositivos de última geração em termos de desempenho, Rapidez, confiabilidade térmica, e assim por diante."

p Os pesquisadores descobriram que a redução da interferência térmica é causada por vórtices gerados perto da borda das fontes de calor.

p “Isso é semelhante aos vórtices que se observam na borda de um obstáculo colocado dentro de uma corrente de ar ou água, como atrás de uma asa de avião, "Shakouri disse.

p A lei que rege a condução de calor, conhecida como Lei de Fourier ou equação de difusão de calor, não prevê com precisão o transporte térmico para dispositivos em nanoescala. Como a equação de difusão de Fourier não explica o transporte de calor nessas escalas, este regime de transporte é denominado não difusivo.

p "À medida que o tamanho dos dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos está ficando menor, é importante considerar este comportamento não difusivo para o projeto e otimização de tais dispositivos pequenos, "Disse Ziabari." Essas novas medições mostram que, em nanoescalas, a propagação de calor tem um comportamento 'fluido' interessante. "

p Os métodos convencionais não levam em consideração os vórtices de transporte de calor encontrados em nanoescala.

p "A vorticidade só se torna importante quando a dimensão característica da fonte é comparável à escala de comprimento hidrodinâmico de cerca de 150 nanômetros, " ele disse.

p A teoria de Fourier superestima substancialmente a temperatura observada experimentalmente a uma curta distância das linhas de aquecimento.

p "O efeito surpreendente foi que a temperatura decai muito mais rápido do que a teoria de Fourier previa, "Shakouri disse." Dentro de uma distância de 1 ou 2 mícrons de uma pequena fonte de calor - uma linha com cerca de 100 nanômetros de largura - a temperatura pode ser de um terço a um quarto do que a teoria de Fourier prevê. "

p A abordagem de imagem térmica de termorefletância permite aos pesquisadores criar mapas de aumento de temperatura em resolução muito mais alta do que seria possível usando luz na faixa visível.