Een studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang rapporten over de onverwachte waarneming van thermische golven in germanium, een halfgeleidermateriaal, Voor de eerste keer. Dit fenomeen kan in de nabije toekomst een aanzienlijke verbetering van de prestaties van onze elektronische apparaten mogelijk maken. De studie wordt geleid door onderzoekers van het Institute of Materials Science van Barcelona (ICMAB, CSIC) in samenwerking met onderzoekers van de Universitat Autònoma de Barcelona, en de Universiteit van Cagliari.

Warmte, zoals we het kennen, komt voort uit de vibratie van atomen, en overdrachten door diffusie bij omgevingstemperaturen. Helaas, het is nogal moeilijk te controleren, en leidt tot eenvoudige en inefficiënte strategieën voor manipulatie. Dit is waarom, bijvoorbeeld, grote hoeveelheden restwarmte kunnen zich ophopen in onze computers, mobiele telefoons en, in het algemeen, de meeste elektronische apparaten.

Echter, als warmte door golven werd getransporteerd, zoals licht, het zou nieuwe alternatieven bieden om het te beheersen, vooral door de unieke en intrinsieke eigenschappen van golven.

Thermische golven zijn tot nu toe slechts in enkele materialen waargenomen, zoals vast helium of, recenter, in grafiet. Nutsvoorzieningen, de studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang door onderzoekers van het Institute of Materials Science van Barcelona (ICMAB, CSIC) in samenwerking met onderzoekers van de Universitat Autònoma de Barcelona, en de Universiteit van Cagliari, rapporten over de waarneming van thermische golven op vast germanium, een halfgeleidermateriaal dat doorgaans wordt gebruikt in de elektronica, vergelijkbaar met silicium, en op kamertemperatuur. "Er werd niet verwacht dat we deze golfachtige effecten zouden tegenkomen, bekend als tweede geluid, op dit soort materiaal, en in deze omstandigheden, " zegt Sebastián Reparaz, ICMAB Onderzoeker bij de Nanostructured Materials for Optoelectronics and Energy Harvesting (NANOPTO) Group en leider van deze studie.

De waarneming vond plaats bij het bestuderen van de thermische respons van een germaniummonster onder invloed van lasers, het produceren van een hoogfrequente oscillerende verwarmingsgolf op het oppervlak. De experimenten toonden aan dat, in tegenstelling tot wat tot nu toe werd aangenomen, warmte verdween niet door diffusie, maar het plantte zich door thermische golven voort in het materiaal.

Afgezien van de waarneming zelf, in de studie, onderzoekers onthullen de aanpak om de observatie van thermische golven te ontgrendelen, mogelijk in elk materiaalsysteem.

Wat is tweede geluid en hoe kan het in elk materiaal worden waargenomen?

Voor het eerst waargenomen in de jaren zestig op vast helium, thermisch transport door golven, bekend als tweede geluid, is een terugkerend onderwerp voor onderzoekers die herhaaldelijk hebben geprobeerd het bestaan ​​ervan in ander materiaal aan te tonen. Recente succesvolle demonstraties van dit fenomeen op grafiet hebben de experimentele studie nieuw leven ingeblazen.

"Het tweede geluid is het thermische regime waar warmte zich kan voortplanten in de vorm van thermische golven, in plaats van het vaak waargenomen diffuse regime. Dit type golfachtig thermisch transport heeft veel van de voordelen die golven bieden, inclusief interferentie en diffractie", zegt ICMAB-onderzoeker Sebastián Reparaz.

"Wave-achtige effecten kunnen worden ontgrendeld door het systeem in een snel wisselend temperatuurveld te sturen. Met andere woorden, een snel variërend temperatuurveld dwingt de verspreiding van warmte in het golfachtige regime af", legt Reparaz uit, en voegt eraan toe, "De interessante conclusie van ons werk is dat deze golfachtige effecten mogelijk door de meeste materialen kunnen worden waargenomen bij een voldoende grote modulatiefrequentie van het temperatuurveld. En, wat nog interessanter is, zijn observatie is niet beperkt tot een aantal specifieke materialen."

Toepassingen van tweede geluid in de nabije toekomst

"De mogelijke toepassingen van tweede geluid zijn grenzeloos", zegt Sebastián Reparaz. Het bereiken van deze toepassingen, echter, vereist een diep begrip van de manieren om dit thermische voortplantingsregime op een bepaald materiaal te ontgrendelen. In staat zijn om de warmtevoortplanting te beheersen door de eigenschappen van golven, opent nieuwe manieren om de komende generaties thermische apparaten te ontwerpen, op een vergelijkbare manier als de reeds vastgestelde ontwikkelingen voor licht. "Specifiek, het tweede gezonde thermische regime zou kunnen worden gebruikt om te heroverwegen hoe we omgaan met afvalwarmte", hij voegt toe.

Vanuit een theoretisch oogpunt, "Deze bevindingen maken het mogelijk om het huidige theoretische model te verenigen, die tot nu toe van mening waren dat materialen waarin dit soort golfachtig gedrag werd waargenomen (zoals grafiet) heel anders waren dan de halfgeleidermaterialen die momenteel worden gebruikt bij de vervaardiging van elektronische chips (zoals silicium en germanium)", zegt F. Xavier Álvarez, onderzoeker aan de UAB. "Nu kunnen al deze materialen worden beschreven met behulp van dezelfde vergelijkingen. Deze observatie stelt een nieuw theoretisch kader vast dat in de niet al te verre toekomst een aanzienlijke verbetering van de prestaties van onze elektronische apparaten mogelijk maakt, ", voegt Álvarez toe.