على طريق انتقال الحرارة السريع، تنتقل الطاقة الحرارية عبر جسيمات كمية تسمى الفونونات. ولكن على مقياس النانومتر لأشباه الموصلات الأكثر تقدمًا اليوم، لا تستطيع هذه الفونونات حمل ما يكفي من الحرارة. ولهذا السبب يركز الباحثون في جامعة بوردو على نحت مسار نانوي جديد على طريق نقل الحرارة السريع باستخدام أشباه الجسيمات الهجينة التي تسمى "البولاريتونات".
"لدينا عدة طرق لوصف الطاقة. عندما نتحدث عن الضوء، فإننا نصفه من خلال جسيمات تسمى "الفوتونات". كما تحمل الحرارة الطاقة بطرق يمكن التنبؤ بها، ونحن نصف موجات الطاقة هذه بـ "الفونونات". لكن في بعض الأحيان، اعتمادًا على المادة، تتحد الفوتونات والفونونات لتكوين شيء جديد يسمى "بولارون". وقال توماس بيتشام، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية: "إنها تحمل الطاقة بطريقتها الخاصة، وهي مختلفة عن كل من الفوتونات والفونونات".
مثل الفوتونات والفونونات، فإن البولارونات ليست جسيمات مادية يمكنك رؤيتها أو التقاطها. إنها طريقة لوصف تبادل الطاقة كما لو كانت جسيمات.
لا تزال غامضة؟ لتغيير الاستعارة. وقال بيتشام: "الفونونات تشبه محرك الاحتراق، والفوتونات تشبه السيارة الكهربائية، والأعمدة مثل سيارة تويوتا بريوس". "إنها مزيج من الضوء والحرارة، وتحتفظ ببعض خصائص كليهما. لكن لها خصائصها الخاصة."
"لقد تم استخدام البولارونات في كل شيء بدءًا من الزجاج الملون وحتى الاختبارات الصحية المنزلية. ولكن تم التغاضي عن قدرتها على نقل الحرارة إلى حد كبير لأن تأثيرها لا يصبح كبيرًا إلا عندما تصبح أبعاد المواد صغيرة جدًا." قال جاكوب مينيارد، طالب الدكتوراه في مختبر بيشيم. "نحن نعلم أن الفونونات تقوم بمعظم أعمال نقل الحرارة. لا يمكن ملاحظة تأثير البولارونات إلا على مقياس النانومتر. ولكن الآن فقط نحتاج إلى معالجة انتقال الحرارة على هذا المستوى لأن أشباه الموصلات أصبحت صغيرة جدًا ومعقدة لدرجة أن أولئك الذين يصممون ويصنعون هذه الرقائق اكتشفوا أن الفونونات ليست فعالة في تبديد الحرارة عند هذه المقاييس الطولية."
تم اختيار أبحاثهم حول البولارونات كمقالة مميزة في مجلة الفيزياء التطبيقية.
وقال بيتشام: "نحن في مجتمع نقل الحرارة وصفنا دائمًا التأثيرات القطبية بطريقة خاصة بالمواد". "سيلاحظ شخص ما تأثيرًا قطبيًا في هذه المادة أو تلك الواجهة. الأمر برمته مختلف تمامًا. وتؤكد ورقة جاكوب أن هذا ليس محض صدفة. على أي سطح أرق من 10 نانومتر، تبدأ القطبيات في السيطرة على نقل الحرارة." التدريب العملي على. وهذا يعادل ضعف حجم الترانزستورات الموجودة في هاتف iPhone 15. ما نفعله هو إنشاء مسار إضافي على الطريق السريع. كلما كان المقياس أصغر، كلما أصبحت الحارة الإضافية أكثر أهمية، ونحن بحاجة إلى التفكير في تصميم تدفق حركة المرور للاستفادة من كل من الفونونات والبولاريتونات.
إن ورقة مينيارد لا تخدش سوى سطح كيفية تحقيق ذلك فعليًا. إن تعقيد أشباه الموصلات يعني أن هناك العديد من الفرص لاستغلال التصاميم الصديقة للقطب: "يتضمن تصنيع الرقائق العديد من المواد، من السيليكون نفسه إلى المواد العازلة والمعادن، وأبحاثنا موجهة نحو فهم كيفية استخدام هذه المواد لتوصيل الحرارة بشكل أكثر كفاءة، مع إدراك أن الأقطاب توفر طريقة جديدة تمامًا لنقل الطاقة."
وإدراكًا لذلك، يأمل بيتشام ومينيارد أن يوضحا لصانعي الرقائق كيفية دمج مبادئ نقل الحرارة النانوية القائمة على البولاريتون مباشرة في التصميم المادي للرقاقة - بدءًا من المواد المادية المعنية، إلى شكل طبقات الرقاقة وسمكها.
وبينما لا يزال العمل نظريًا في الوقت الحالي، فإن التجارب الفيزيائية على وشك البدء.
المراجع: نشر جاكوب مينيارد وتوماس إي بيتشيم مقالاً بعنوان "خصائص المواد التي تحكم التوصيل الحراري لفونون-بولارون داخل الطائرة" نُشر في مجلة الفيزياء التطبيقية بتاريخ 24 أكتوبر 2023.
دوى:10.1063/5.0173917
المصدر المجمع: ScitechDaily