محققان دانشگاه پردو با مهار شبه ذرات هیبریدی موسوم به "پلاریتون"، پیشرفت قابل توجهی در پیشبرد انتقال حرارت در مقیاس نانو داشته اند. در حالی که گرما به طور سنتی از طریق ذرات کوانتومی به نام فونون ها منتقل می شود، نیمه هادی های نانومقیاس برای دفع موثر گرما با استفاده از این روش تلاش می کنند. با کاوش در پتانسیل پلاریتون ها، که ترکیبی منحصر به فرد از فوتون ها و فونون ها هستند، محققان قصد دارند یک خط جدید برای انتقال حرارت در مقیاس نانو ایجاد کنند.
برخلاف فوتون‌ها و فونون‌ها، پلاریتون‌ها ذرات ملموسی نیستند، بلکه ساختارهای مفهومی هستند که تبادل انرژی را توصیف می‌کنند. با ترسیم یک قیاس، پلاریتون ها را می توان به عنوان ترکیبی از نور و گرما دید که خواص هر دو را حفظ می کند. اگرچه پلاریتون‌ها به‌طور گسترده برای کاربردهای نوری مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، نقش آنها در انتقال حرارت تا کنون تا حد زیادی نادیده گرفته شده است، زیرا تأثیر آنها تنها در مقیاس‌های طول بسیار کوچک قابل توجه است.
محققان به سرپرستی دانشیار توماس بیچم، اخیرا یافته های خود را در مورد پلاریتون ها در مجله فیزیک کاربردی منتشر کرده اند. آنها کشف کردند که پلاریتون ها بر روی سطوح نازک تر از 10 نانومتر، که دو برابر اندازه ترانزیستورهای آیفون 15 است، بر انتقال گرما غالب می شوند.
کار این تیم فرصت‌هایی را برای طراحی جریان تراشه‌هایی که از فونون‌ها و پلاریتون‌ها استفاده می‌کند، باز می‌کند. با استفاده از اصول انتقال حرارت در مقیاس نانو مبتنی بر پلاریتون در طراحی فیزیکی تراشه ها، از انتخاب مواد گرفته تا ضخامت لایه، سازندگان تراشه می توانند رسانش گرما را در دستگاه های نیمه هادی آینده افزایش دهند. در حالی که این تحقیق در حال حاضر تئوری است، این تیم قصد دارد آزمایش‌های فیزیکی را برای تایید یافته‌های خود انجام دهد.
محققان بر وابستگی مادی رسانایی حرارتی درون صفحه ای مبتنی بر فونون-پلاریتون تأکید می کنند. آنها تنوع گسترده ای را در رسانایی گرمایی در بین مواد مختلف مشاهده کردند، با فونون-پلاریتون ها رفتاری مشابه با فونون ها در زمانی که لایه ها فوق نازک می شوند.
این پیشرفت در انتقال حرارت در مقیاس نانو، راه های جدیدی را برای بهبود عملکرد نیمه هادی ها باز می کند و محققان در مورد تأثیر بالقوه یافته های خود هیجان زده هستند. هدف محققان با استفاده از طرح‌ها و مواد سازگار با پلاریتون، افزایش راندمان انتقال حرارت و هموار کردن راه برای فناوری‌های نسل بعدی تراشه است.
منبع
Jacob Minyard et al, Material characteristics governing in-plane phonon-polariton thermal conductance, Journal of Applied Physics (2023). DOI: 10.1063/5.0173917
