Een door de UA geleide samenwerking van natuurkundigen en scheikundigen heeft ontdekt dat temperatuur zich op vreemde en onverwachte manieren gedraagt ​​in grafeen, een materiaal dat wetenschappers doet sissen van opwinding over het potentieel voor nieuwe technologische apparaten, variërend van computers tot medicijnen.

Stel je voor dat je een koekenpan op het fornuis zet en het vuur hoger zet, alleen om te ontdekken dat op een paar plekken de boter niet smelt omdat een deel van de pan op kamertemperatuur blijft. Wat in de keuken een onmogelijk scenario lijkt, is precies wat er gebeurt in de vreemde wereld van de kwantumfysica, hebben onderzoekers van de Universiteit van Arizona ontdekt.

De bevindingen, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordeling B , suggereren dat kwantumeffecten een rol spelen in hoe warmte door een materiaal beweegt, het uitdagen van het klassieke idee dat warmte eenvoudigweg van een hete plek naar een koude plek diffundeert totdat de temperatuur overal hetzelfde is.

Kwantumtemperatuurregeling op microschaal kan op een dag nieuwe technologieën mogelijk maken, bijvoorbeeld bij informatica, milieumonitoring en geneeskunde.

"Niemand heeft deze kwantumeffecten eerder gezien in de voortplanting van temperatuur, " zei Charles Stafford, een professor in de afdeling Natuurkunde van de UA die co-auteur was van het artikel. "Hittediffusie is altijd gezien als een proces dat je niet kunt beïnvloeden. Gewoonlijk, een patroon van warme en koude plekken in een materiaal zou worden weggespoeld door de onverbiddelijke stroom van warmte van de hete plekken naar de aangrenzende koude plekken."

Niet in de vreemde wereld van grafeen. Het materiaal - een vel koolstofatomen verbonden in een zeshoekige, kippengaasstructuur - belooft veel voor micro-elektronica. Slechts één atoom dun en zeer geleidend, grafeen kan op een dag conventionele siliciummicrochips vervangen, apparaten kleiner maken, sneller en energiezuiniger. Naast mogelijke toepassingen in geïntegreerde schakelingen, zonnepanelen, geminiaturiseerde bio-apparaten en sensoren voor gasmoleculen, het materiaal heeft de aandacht van natuurkundigen getrokken vanwege zijn unieke eigenschappen bij het geleiden van elektriciteit op atomair niveau.

"We ontdekten dat elektronen die warmte dragen zich voortplanten als tweedimensionale kwantumgolven, "Stafford zei, "en de rimpelingen in die golven zullen naar verwachting leiden tot warme en koude plekken die aanhouden, vliegen in het gezicht van ons dagelijks begrip van temperatuur en warmtestroom."

Bovendien, "de grootte van deze rimpelingen is controleerbaar in grafeen, zodat dit vreemde fenomeen waarneembaar zou moeten zijn met ultramoderne scanning thermische microscopen, een uniek uitzicht bieden op de aard van temperatuur en warmtetransport op kwantumniveau, ’ schrijven de auteurs.

"Met andere woorden, dit is niet zomaar een conceptueel resultaat, maar je zou dit fenomeen moeten kunnen observeren met de huidige laboratoriumtechnieken, ' zei Stafford.

Na het voorspellen van vergelijkbare soorten temperatuurgolven langs afzonderlijke moleculen - te klein voor technologische toepassingen - in eerder gepubliceerde computersimulaties, Stafford en zijn team bieden nu de basis voor het observeren van kwantumwarmteoverdracht met beschikbare technologie.

"Onder bepaalde omstandigheden, men zou deze golflengten 20 nanometer of meer kunnen maken, goed op het gebied van de huidige resolutie van thermische scanmicroscopie, ' zei Stafford.

Hoewel de auteurs benadrukken dat hun paper niet gaat over onmiddellijke toepassingen, de ontdekking van warme en koude plekken die naast elkaar bestaan ​​in hetzelfde vel grafeen zou manieren kunnen bieden om grafeen te gebruiken als een kwantumwarmtegeleider om elektronische apparaten te koelen.

"Naarmate apparaten kleiner en kleiner worden, er is een grote duw in de technologie om de temperatuur op nanoschaalniveau te kunnen beheersen, " zei Stafford. "Bijvoorbeeld, als we de verwerkingshardware willen verbeteren, we moeten de warmtestroom op dat niveau begrijpen, en dat vereist dat we ons begrip van het schoolbord van de theoretische natuurkunde naar erkenning in een laboratoriumomgeving brengen."

Temperatuurmetingen met nanometerresolutie zijn technologisch noodzakelijk, bijvoorbeeld, om de thermische prestaties en faalmechanismen van halfgeleiderapparaten te karakteriseren, of om biowarmteoverdracht op moleculair niveau te onderzoeken voor de behandeling van kanker of hart- en vaatziekten.

"Door kwantumwarmtetransport, het moet mogelijk zijn om op microschaal puntkoeling te realiseren die met klassiek warmtetransport onmogelijk zou zijn, " legde Stafford uit. "In een typische computerarchitectuur van tweedimensionale chips, je moet overtollige warmte langs de randen afvoeren, en dat wordt steeds moeilijker naarmate alles kleiner en kleiner wordt. Als je in plaats van de hele structuur te moeten koelen, bepaalde microscopisch kleine processen op de chip selectief zou kunnen koelen, dat zou een groot voordeel zijn."

Bovendien, kwantumeffecten kunnen nieuwe methoden bieden om langdurige technologische uitdagingen te omzeilen, wat suggereert dat het onderzoek naar "fasegevoelige" thermische effecten de deur zou kunnen openen naar door kwantum ontworpen warmtetransportapparaten.