Как нанотехнологии помогут избежать перегрева электроники
Перенос тепла — непростая задача при разработке электроники. Обидно создать устройство и обнаружить, что оно нагревается быстрее, чем хотелось бы. Ещё в 2015 году исследователи из JILA под руководством физиков Маргарет Мурнейн и Генри Каптейна экспериментировали с кремниевыми брусками толщиной во много раз меньше человеческого волоса. Когда их нагрели лазером, произошло нечто странное. Тела, которые не рассеивали тепло эффективно, начали остывать намного быстрее, когда их положили вплотную.
Исследователи использовали компьютерное моделирование, чтобы отследить прохождение тепла от наноразмерных стержней. Они обнаружили, что источники тепла, помещенные близко друг к другу, создают колебания энергии, которые отражаются друг от друга, рассеивая тепло и охлаждая стержни. Согласно принципам термодинамики, должно быть ровно наоборот: чем меньше расстояние между нагретыми телами — тем хуже их охлаждение.
Даже незначительные дефекты в конструкции микросхем, могут привести к повышению температуры, увеличивая износ устройства. Поскольку технологические компании стремятся производить все меньшую и меньшую электронику, им придётся будет уделять больше внимания фононам — колебаниям атомов, переносящим тепло в твердых телах.
Исследователи воссоздали на компьютере эксперимент, проведенный несколькими годами ранее. Моделирование было настолько подробным, что команда смогла проследить поведение каждого атома в модели от начала до конца.
Они обнаружили, что кремниевые стержни, расположенные достаточно далеко друг от друга, как правило, остывали предсказуемым образом. Энергия просачивалась из прутьев в материал под ними, рассеиваясь во всех направлениях. Но когда прутья придвинули ближе друг к другу, случилось странное. Поясним на аналогии.
Представьте толпу толкающихся людей на стадионе, в конце концов выходящих в одном направлении. Примерно так же «толкались» фононы, формируя направленный тепловой канал.
Исследователи подозревают, 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 бегать безумно и свободно.
Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Эта разработка может однажды помочь технической индустрии разработать более быстрые электронные устройства, которые не страдают от перегрева. Наконец ноутбук не будет сжигать колени!