物理学家解决了一个令人困惑的纳米级之谜

科学原理 2022-04-22

  科罗拉多大学博尔德分校的一个物理学家团队已经解决了纳米领域一个令人困惑的现象背后的奥秘:为什么一些超小的热源在你把它们挤得更近时冷却的更快。这一发现将于本周发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,有朝一日可以帮助科技行业设计出更快的电子设备的同时减少过热。

  这项研究始于一个无法解释的观察。2015年,由JILA的物理学家Margaret Murnane和Henry Kapteyn领导的研究人员在硅基上用比人的头发宽度还要薄很多倍的金属条进行实验。当他们用激光加热这些金属条时,发生了一些奇怪的事情。这些纳米级的热源通常不会有效地散去热量。但是如果你把它们紧紧地包在一起,它们就会更快地冷却下来。

  现在,研究人员知道为什么会发生这种情况。

  在新的研究中,他们使用基于计算机的模拟来跟踪热量从他们的纳米大小的条状物中通过。他们发现,当他们把热源放在一起时,它们产生的能量振动开始相互反弹,将热量散射出去,使条状物冷却下来。

  该小组的结果突出了设计下一代微小设备的一个主要挑战,如微处理器或量子计算机芯片。当你缩小到非常小的尺度时,热量并不总是像你认为的那样表现出来。

  研究人员补充说,设备中的热量传输很重要。计算机芯片等电子产品的设计中,即使是微小的缺陷,也会使温度升高,增加设备的磨损和撕裂。随着科技公司努力生产越来越小的电子产品,他们将需要比以往更加关注声子–在固体中携带热量的原子的振动。热流涉及非常复杂的过程,使其难以控制。但是,如果能够理解声子在小尺度上的行为,那么我们就可以调整它们的传输,使我们能够建造更有效的设备。

  为了做到这一点,Murnane和Kapteyn以及他们的实验物理学家团队与Ann and H.J. Smead航空航天工程科学系教授Mahmoud Hussein领导的理论家小组联合起来。他的小组专门研究模拟,或对声子的运动进行建模。研究人员重现了他们几年前的实验,但这次完全是在计算机上进行的。他们建立了一系列硅条的模型,像火车轨道的板条一样并排铺设,并对它们进行加热。

  这些模拟是如此详细,以至于该团队可以从头到尾跟踪模型中每一个原子的行为–总共有几百万个原子,就如同在挑战科罗拉多大学博尔德分校的Summit超级计算机的内存极限。

  这项技术得到了回报。例如,研究人员发现,当他们将硅条间隔得足够远时,热量往往会以一种可预测的方式从这些材料中散发出去。能量从硅条上泄漏到它们下面的材料中,向各个方向消散。

  然而,当这些硅条靠得更近时,发生了另一种情况。随着来自这些源头的热量散开,它有效地迫使能量更强烈地流向远离源头的统一方向,就像体育场里的一群人互相推搡并最终跃出出口。该小组将这种现象称为”定向热导流”。

  这种现象增加了热量向下进入基材并远离热源的传输。研究人员怀疑,工程师们有朝一日可以利用这种不寻常的行为来更好地掌握小型电子器件中的热流–将能量引向所需的路径,而不是让它乱跑。目前,研究人员认为最新的研究是来自不同学科的科学家在一起工作时能够做到的。