In bevindingen die kunnen helpen een grote technologische hindernis op de weg naar kleinere en krachtigere elektronica te overwinnen, een internationaal onderzoeksteam waarbij ingenieursonderzoekers van de Universiteit van Michigan betrokken zijn, heeft de unieke manieren laten zien waarop warmte op de kleinste schaal wordt afgevoerd.

Een paper over het onderzoek is gepubliceerd in de 13 juni-editie van: Natuur .

Wanneer een stroom door een materiaal gaat dat elektriciteit geleidt, het genereert warmte. Door te begrijpen waar de temperatuur in een elektronisch systeem zal stijgen, kunnen ingenieurs betrouwbare, goed presterende computers, mobiele telefoons en medische apparaten, bijvoorbeeld. Hoewel warmteontwikkeling in grotere circuits goed bekend is, de klassieke natuurkunde kan de relatie tussen warmte en elektriciteit aan het uiteinde van de nanoschaal niet beschrijven - waar apparaten ongeveer één nanometer groot zijn en uit slechts een paar atomen bestaan.

In de komende twee decennia zal van computerwetenschappelijke en technische onderzoekers wordt verwacht dat ze op deze "atomaire" schaal werken, volgens Pramod Reddy, U-M-assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde en techniek die het onderzoek leidde.

"Met een grootte van 20 of 30 nanometer, de actieve gebieden van de hedendaagse transistors hebben zeer kleine afmetingen, ' zei Reddy. 'Echter, als de industrie gelijke tred houdt met de wet van Moore en doorgaat met het verkleinen van transistors om hun dichtheid op een circuit te verdubbelen, dan zijn atomaire schalen niet ver weg.

"Het belangrijkste is dan is om de relatie tussen de afgevoerde warmte en de elektronische structuur van het apparaat te begrijpen, als dat niet het geval is, kun je de atomaire schaal niet echt benutten. Dit werk geeft daar voor het eerst inzicht in."

De onderzoekers hebben experimenteel aangetoond hoe een systeem op atomaire schaal opwarmt, en hoe dit verschilt van het proces op macroschaal. Ze bedachten ook een kader om het proces uit te leggen.

In het tastbare, wereld op macroschaal, wanneer elektriciteit door een draad gaat, de hele draad warmt op, net als alle elektroden erlangs. In tegenstelling tot, wanneer de "draad" een molecuul ter grootte van een nanometer is en slechts twee elektroden verbindt, de temperatuur stijgt overwegend in een van hen.

"In een apparaat op atomaire schaal, alle verwarming is geconcentreerd op één plaats en minder op andere plaatsen, ' zei Reddy.

Om dit te realiseren, onderzoekers in Reddy's lab - doctoraatsstudenten Woochul Lee en Wonho Jeong en postdoctoraal collega Kyeongtae Kim - ontwikkelden technieken om stabiele apparaten op atomaire schaal te maken en ontwierpen en bouwden een aangepaste nanoschaalthermometer geïntegreerd in een kegelvormig apparaat. Enkele moleculen of atomen werden gevangen tussen het kegelvormige apparaat en een dunne plaat van goud om de warmtedissipatie in prototypische circuits op moleculaire schaal te bestuderen.

"De resultaten van dit werk bevestigen ook de validiteit van een warmtedissipatietheorie die oorspronkelijk werd voorgesteld door Rolf Landauer, een natuurkundige van IBM, ' zei Reddy. 'Verder, de inzichten die uit dit werk zijn verkregen, maken ook een dieper begrip mogelijk van de relatie tussen warmtedissipatie en thermo-elektrische verschijnselen op atomaire schaal, dat is de omzetting van warmte in elektriciteit."