物理学家解决了一个令人困惑的纳米级谜题,这可能有助于防止电子器件过热

超薄硅棒

激光加热硅的超薄棒。信用:史蒂文洞穴/吉拉

Cu Boulder的一支物理学家团队在纳米境界中解决了一个令人困惑的现象背后的谜团:为什么如果你把它们更靠近,那么一些超小型热量源更快地冷却。该研究结果将在本周在期刊上发布美国国家科学院院刊美国国家科学院院刊(PNAS)的一项研究发现,有一天可以帮助科技行业设计出速度更快、温度更低的电子设备。

“在设计电子产品时,热量通常是一个具有挑战性的考虑因素。该研究的合著者Joshua Knobloch说,他是JILA的博士后研究员,JILA是科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究所(NIST)的联合研究机构。“我们的目标是了解相关的基础物理学,这样我们就可以设计未来的设备,有效地管理热量流动。”

这项研究始于一项无法解释的观察。2015年,由物理学家Margaret Murnane和Henry Kapteyn领导的研究人员在JILA用金属条做实验在硅基上比人类头发的宽度还要细很多倍。当他们用激光加热这些金属条时,奇怪的事情发生了。

“他们表现得非常违反,”克洛克说。“这些纳米级热源通常不会有效地消耗热量。但如果你把它们靠近在一起,它们会更快地冷却。“

现在,研究人员知道为什么会发生这种情况。

在这项新研究中,他们使用基于计算机的模拟来跟踪纳米棒的热量传递。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,散射热量,冷却棒。

该小组的研究结果突显出在设计微处理器或量子计算机芯片等下一代微型设备时面临的一个重大挑战:当你缩小到非常小的规模时,热量的表现并不总是像你认为的那样。

原子atom

研究人员补充说,设备中的热量传递很重要。即使是像计算机芯片这样的电子产品设计上的微小缺陷也会导致温度升高,增加设备的磨损。随着科技公司努力生产越来越小的电子产品,他们需要比以往任何时候都更加关注声子——固体中携带热量的原子振动。

“热流涉及非常复杂的过程,很难控制,”Knobloch说。“但如果我们能理解声子在小尺度上的行为,那么我们就能定制它们的传输,让我们能够建造更高效的设备。”

要做的那样,梅兰和kapteyn和他们的实验物理学家团队就参加了由Mahmoud Hussein,Ann和H.J.Smead系的航空航天工程科学教授领导的一群理论家。他的小组专门用于模拟或建模,声子的运动。

“在原子规模上,传热的本质在新的灯光中出现,”侯赛因也在物理系中有一个礼貌任命。

研究人员基本上重现了几年前的实验,但这次完全是在电脑上进行的。他们制作了一系列硅棒的模型,像火车轨道上的板条一样并排摆放,然后将它们加热。

Knobloch说,模拟是如此详细,以至于团队可以跟踪每个人的行为原子在模型中,从开始到结束有数百万个。

“我们真的在Cu Boulder的峰会超级计算机的记忆极限,”他说。

指导热

该技术已退还。例如,研究人员发现,当它们间隔开它们的硅柱时,热量倾向于以可预测的方式逃离这些材料。能量从杆泄漏并进入它们下方的材料,在每个方向上散发。

然而,当铁栏靠得更近时,又发生了别的事情。当这些热源散发的热量分散时,它有效地迫使能量以一致的方向更强烈地流向远离热源的地方——就像体育场里的一群人相互推挤,最终从出口跳出来。研究小组称这种现象为“定向热通道”。

Knobloch说:“这种现象增加了热量向下输送到基底,远离热源。”

研究人员猜测,有朝一日,工程师们可以利用这种不同寻常的行为,来更好地掌握小型电子器件中的热流——引导能量沿着所希望的路径流动,而不是让它失控。

目前,研究人员将这项最新研究视为来自不同学科的科学家在一起工作时可以做的事情。

“This project was such an exciting collaboration between science and engineering—where advanced computational analysis methods developed by Mahmoud’s group were critical for understanding new materials behavior uncovered earlier by our group using new extreme ultraviolet quantum light sources,” said Murnane, also a professor of physics.

参考文献:“定向热窜:热源紧密堆积引发的现象”美国国家科学院院刊
DOI:10.1073 / PNAS.2109056118

该研究得到了实时功能成像的频闪国家科学基金会科学与技术中心。

新研究的其他Cu Boulder的同革包括Hossein Honarvar,该研究员是航空航天工程学和Jila的研究生Jila和Brendan Mcbennett。前吉拉研究人员Travis Frazer,BegoñaAbad和Jorge Hernandez-Charpak也为该研究做出了贡献。

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