p Uma equipe de físicos da CU Boulder resolveu o mistério por trás de um fenômeno desconcertante no reino nano:por que algumas fontes de calor ultrapequenas esfriam mais rápido se você juntá-las mais. As evidências, publicado hoje no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), poderia um dia ajudar a indústria de tecnologia a projetar dispositivos eletrônicos mais rápidos que superaquecem menos. p "Muitas vezes, o calor é uma consideração desafiadora no projeto de eletrônicos. Você constrói um dispositivo e descobre que ele está esquentando mais rápido do que o desejado, "disse o co-autor do estudo, Joshua Knobloch, associado de pesquisa de pós-doutorado na JILA, um instituto de pesquisa conjunto entre CU Boulder e o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). "Nosso objetivo é compreender a física fundamental envolvida para que possamos projetar dispositivos futuros para gerenciar com eficiência o fluxo de calor."

p A pesquisa começou com uma observação inexplicável:em 2015, pesquisadores liderados pelos físicos Margaret Murnane e Henry Kapteyn no JILA estavam experimentando barras de metal que eram muitas vezes mais finas do que a largura de um fio de cabelo humano em uma base de silício. Quando eles aqueceram essas barras com um laser, algo estranho aconteceu.

p "Eles se comportaram de forma muito contra-intuitiva, "Knobloch disse." Essas fontes de calor em escala nano geralmente não dissipam o calor de forma eficiente. Mas se você embalá-los juntos, eles esfriam muito mais rapidamente. "

p Agora, os pesquisadores sabem por que isso acontece.

p No novo estudo, eles usaram simulações baseadas em computador para rastrear a passagem de calor de suas barras nanométricas. Eles descobriram que quando colocaram as fontes de calor juntas, as vibrações de energia que eles produziram começaram a ricochetear umas nas outras, dispersando o calor e resfriando as barras.

p Os resultados do grupo destacam um grande desafio no projeto da próxima geração de dispositivos minúsculos, como microprocessadores ou chips de computador quânticos:quando você reduz para escalas muito pequenas, o calor nem sempre se comporta da maneira que você acha que deveria.

p Átomo por átomo

p A transmissão de calor em dispositivos é importante, acrescentaram os pesquisadores. Mesmo pequenos defeitos no design de eletrônicos, como chips de computador, podem permitir o aumento da temperatura, adicionar desgaste a um dispositivo. Enquanto as empresas de tecnologia se esforçam para produzir eletrônicos cada vez menores, eles precisarão prestar mais atenção do que nunca aos fônons - vibrações de átomos que transportam calor nos sólidos.

p "O fluxo de calor envolve processos muito complexos, dificultando o controle, "Disse Knobloch." Mas se pudermos entender como os fônons se comportam em pequena escala, então podemos adaptar seu transporte, permitindo-nos construir dispositivos mais eficientes. "

p Para fazer exatamente isso, Murnane e Kapteyn e sua equipe de físicos experimentais uniram forças com um grupo de teóricos liderados por Mahmoud Hussein, professor do Departamento de Ciências da Engenharia Aeroespacial de Ann e H.J. Smead. Seu grupo é especializado em simulação, ou modelagem, o movimento dos fônons.

p "Na escala atômica, a própria natureza da transferência de calor emerge sob uma nova luz, "disse Hussein, que também tem um compromisso de cortesia no Departamento de Física.

p Os pesquisadores, essencialmente, recriaram seu experimento de vários anos antes, mas desta vez, inteiramente em um computador. Eles modelaram uma série de barras de silício, colocados lado a lado como as ripas de uma linha de trem e aquecidos.

p As simulações foram tão detalhadas, Knobloch disse, que a equipe poderia seguir o comportamento de cada átomo no modelo - milhões deles ao todo - do início ao fim.

p "Estávamos realmente ultrapassando os limites de memória do Supercomputador Summit em CU Boulder, " ele disse.

p Direcionando calor

p A técnica valeu a pena. Os pesquisadores descobriram, por exemplo, que quando eles espaçaram suas barras de silício longe o suficiente, o calor tendia a escapar desses materiais de uma forma previsível. A energia vazou das barras e para o material abaixo delas, dissipando em todas as direções.

p Quando as barras se aproximaram, Contudo, algo mais aconteceu. À medida que o calor dessas fontes se espalhava, efetivamente forçou aquela energia a fluir mais intensamente das fontes - como uma multidão de pessoas em um estádio se empurrando umas contra as outras e eventualmente pulando para fora da saída. A equipe denunciou esse fenômeno como "canalização térmica direcional".

p “Este fenômeno aumenta o transporte de calor para dentro do substrato e para longe das fontes de calor, "Knobloch disse.

p Os pesquisadores suspeitam que os engenheiros poderão um dia explorar esse comportamento incomum para obter um melhor controle sobre como o calor flui em pequenos aparelhos eletrônicos - direcionando essa energia ao longo de um caminho desejado, em vez de deixá-lo correr solto e livre.

p Por enquanto, os pesquisadores veem o último estudo como o que cientistas de diferentes disciplinas podem fazer quando trabalham juntos.

p "Este projeto foi uma colaboração tão empolgante entre ciência e engenharia - onde métodos de análise computacional avançados desenvolvidos pelo grupo de Mahmoud foram essenciais para a compreensão do comportamento de novos materiais descobertos anteriormente por nosso grupo usando novas fontes de luz quântica ultravioleta extrema, "disse Murnane, também professor de física.

p Outros co-autores de CU Boulder na nova pesquisa incluem Hossein Honarvar, um pesquisador de pós-doutorado em ciências da engenharia aeroespacial e JILA e Brendan McBennett, um estudante de graduação na JILA. Travis Frazer, ex-pesquisadores da JILA, Begoña Abad e Jorge Hernandez-Charpak também contribuíram para o estudo.