Физики разгадали загадочную тайну нанонауки

Результаты исследования, которые будут опубликованы на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), однажды могут помочь технической индустрии разработать более быстрые электронные устройства, которые меньше перегреваются.

Об этом сообщает SciTechDaily.

«Часто нагревание является сложной задачей при разработке электроники. Вы создаете устройство, а затем обнаруживаете, что оно нагревается быстрее, чем хотелось бы. Наша цель состоит в том, чтобы понять фундаментальную физику, чтобы мы могли проектировать будущие устройства для эффективного управления потоком тепла», - сказал соавтор исследования Джошуа Кноблох, научный сотрудник JILA, совместного исследовательского института между CU Boulder и Национальным институтом стандартов и технологий (NIST).

Исследование началось с необъяснимого наблюдения. В 2015 году исследователи под руководством физиков Маргарет Мурнейн и Генри Каптейна из JILA экспериментировали с металлическими стержнями, которые были во много раз тоньше человеческого волоса на кремниевой основе. Когда они нагрели эти прутья лазером, произошло нечто странное.

«Они вели себя очень нелогично. Эти наноразмерные источники тепла обычно не рассеивают тепло эффективно. Но если собрать их близко друг к другу, они остынут гораздо быстрее», - сказал Кноблох.

Теперь исследователи знают, почему это происходит.

В новом исследовании они использовали компьютерное моделирование, чтобы отследить прохождение тепла от их наноразмерных стержней. Они обнаружили, что, когда они поместили источники тепла близко друг к другу, создаваемые ими колебания энергии начали отражаться друг от друга, рассеивая тепло и охлаждая стержни.

Результаты группы подчеркивают серьезную проблему при разработке следующего поколения крошечных устройств, таких как микропроцессоры или квантовые компьютерные чипы: когда вы уменьшаетесь до очень маленьких размеров, тепло не всегда ведет себя так, как вы думаете.

Исследователи добавили, что передача тепла в устройствах имеет значение. Даже незначительные дефекты в конструкции электроники, такой как компьютерные микросхемы, могут привести к повышению температуры, увеличивая износ устройства. Поскольку технологические компании стремятся производить все меньше и меньше электроники, им нужно будет уделять больше внимания, чем когда-либо прежде, фононам - колебаниям атомов, которые переносят тепло в твердых телах.

«Тепловой поток связан с очень сложными процессами, поэтому его трудно контролировать. Но если мы сможем понять, как фононы ведут себя в малом масштабе, тогда мы сможем адаптировать их транспорт, что позволит нам создавать более эффективные устройства», - сказал Кноблох.

Для этого Мурнейн и Каптейн и их команда физиков-экспериментаторов объединили свои усилия с группой теоретиков во главе с Махмудом Хусейном, профессором кафедры аэрокосмической инженерии Энн и Х. Дж. Смид. Его группа специализируется на моделировании движения фононов.

«В атомном масштабе сама природа теплопередачи предстает в новом свете», - сказал Хусейн.

Ученые по сути воссоздали свой эксперимент, проведенный несколькими годами ранее, но на этот раз полностью на компьютере. Они смоделировали серию силиконовых стержней, уложенных бок о бок, как рейки в железнодорожном полотне, и нагрели их.

По словам Кноблоха, моделирование было настолько подробным, что команда могла проследить за поведением каждого атома в модели - всего их миллионов - от начала до конца.

«Мы действительно раздвинули границы памяти суперкомпьютера Summit в CU Boulder», - сказал он.

Исследователи обнаружили, например, что, когда они располагали кремниевые стержни достаточно далеко друг от друга, тепло, как правило, уходило от этих материалов предсказуемым образом. Энергия просачивалась из прутьев в материал под ними, рассеиваясь во всех направлениях.

Однако, когда решетки стали ближе друг к другу, произошло кое-что еще. Когда тепло от этих источников рассеивалось, оно фактически заставляло эту энергию течь более интенсивно в одинаковом направлении от источников. Команда назвала это явление «направленным тепловым каналом».

«Это явление увеличивает перенос тепла вниз в основание и от источников тепла», - сказал Кноблох.

Ученые считают, что однажды инженеры смогут воспользоваться этим необычным поведением, чтобы лучше понять, как течет тепло в небольшой электронике - направляя эту энергию по желаемому пути, вместо того, чтобы позволять ей разрастаться.

Ранее Курсор писал, что физики впервые создали «атомный торнадо». Ученые создали первый в мире атомный вихревой пучок — закрученный смерч из атомов и молекул с загадочными свойствами, которые еще предстоит понять.

Курсор также сообщал, что физики открыли новый электронный феномен. Исследователи-физики из лаборатории Atomic LEGO Университета Северной Флориды обнаружили новое электронное явление, которое они назвали «асимметричным сегнетоэлектричеством».

Физики впервые подтвердили одну из теорий Стивена Хокинга о черных дырах. Физики впервые экспериментально подтвердили одну из теорий Стивена Хокинга о черных дырах. Теорема Хокинга предсказала, что площадь горизонта событий черной дыры никогда не может уменьшиться.

Кроме этого, физики доказали существование мнимой части квантовой механики. Международная исследовательская группа доказала, что мнимую часть квантовой механики можно наблюдать в действии в реальном мире.

Искусственный интеллект смог решить уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера — основное уравнение нерелятивистской квантовой механики, описывающее динамику частиц.

Ранее Курсор писал, что израильские ученые решили старейшую проблему физики. Ученые Еврейского Университета в Иерусалиме во главе с профессором Бараком Колом смогли выяснить, как можно предсказать поведение системы из трех тел, обойдя существенные недостатки сегодняшних методов.

Физики сомневаются в существующей теории расширения Вселенной. Более 20 лет назад стало известно, что расширение Вселенной ускоряется, но физика этого процесса остается загадкой. Однако до сих пор не существует единого физического объяснения этого процесса.

Курсор сообщал, что на Большом адронном коллайдере нашли новую частицу. Ученые впервые обнаружили экзотическую частицу, состоящую из четырех очарованных кварков.

Эксперименты на Большом адронном коллайдере обнаружили отклонения от Стандартной модели.  Ученые, проводившие опыты на БАК, зафиксировали отклонения от теоретической Стандартной модели при распаде заряженных частиц. Это признаки так называемой Новой физики — всеобъемлющей теории, которая должна максимально полно описывать нашу Вселенную.

Ранее Курсор писал, что ученые измерили самую короткую единицу времени, а CERN одобрила план постройки нового огромного адронного коллайдера.

Напомним Курсор сообщал о том, что ученые открыли новое состояние материи.