Warmtestroom op nanoschaal speelt een cruciale rol in veel moderne elektronische en opto-elektronische toepassingen, zoals thermisch beheer, fotodetectie, thermo-elektriciteit en datacommunicatie. Tweedimensionale gelaagde materialen kunnen in veel van deze toepassingen een rol spelen. Misschien nog veelbelovender zijn de zogenaamde van der Waals-heterostructuren, die bestaan ​​uit verschillende gelaagde tweedimensionale materialen die op elkaar zijn gestapeld. Deze stapels kunnen bestaan ​​uit materialen met dramatisch verschillende fysieke eigenschappen, terwijl de interfaces ertussen ultrazuiver en atomair scherp zijn.

Wetenschappers van het Europese vlaggenschip grafeen, onder leiding van ICFO-onderzoekers, hebben onlangs waargenomen hoe warmtetransport plaatsvindt in van der Waals-stapels, die bestaan ​​uit grafeen ingekapseld door het diëlektrische tweedimensionale materiaal hexagonaal BN (hBN).

In een studie gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie getiteld "Out-of-plane warmteoverdracht in van der Waals-stapels door elektron-hyperbolische fononkoppeling, " ICFO-onderzoekers, in samenwerking met onderzoekers uit Nederland, Italië, Duitsland, en het Verenigd Koninkrijk, hebben een zeer verrassend effect geïdentificeerd:in plaats van binnen de grafeenplaat te blijven, de warmte stroomt eigenlijk naar de omringende hBN-platen. Dit out-of-plane warmteoverdrachtsproces vindt plaats op een ultrasnelle tijdschaal van picoseconden (een miljoenste van een miljoenste van een seconde), en is daarom dominant over concurrerende (in-plan) warmteoverdrachtsprocessen.

Het warmteoverdrachtsproces vindt plaats via hete grafeenelektronen (experimenteel gegenereerd door invallend licht) die koppelen aan hyperbolische fonon-polaritonen in de hBN-platen. Deze fonon-polaritonen planten zich voort binnen het hBN zoals licht dat doet in een optische vezel, maar in dit geval voor infrarode golflengten en op nanometerschaal. Het blijkt dat deze exotische hyperbolische modi zeer efficiënt zijn in het afvoeren van warmte.

De resultaten van dit werk kunnen verstrekkende implicaties hebben voor veel toepassingen op basis van hBN-ingekapseld grafeen, soms aangeduid als het grafeenplatform van de volgende generatie, vanwege zijn superieure elektrische eigenschappen. Vooral, het zal richting geven aan het ontwerp van opto-elektronische apparaten, waar deze warmtestroomprocessen grondig kunnen worden benut.