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Un equipo de físicos de la Universidad de California en Boulder ha resuelto el misterio que subyace a un fenómeno desconcertante en el ámbito de la nanotecnología: por qué algunas fuentes de calor ultrapequeñas se enfrían más rápido si se juntan más. Los resultados, publicados hoy en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), podrían ayudar algún día a la industria tecnológica a diseñar dispositivos electrónicos más rápidos que se sobrecalienten menos.
"A menudo, el calor es un problema en el diseño de la electrónica. Se construye un dispositivo y luego se descubre que se calienta más rápido de lo deseado", explica el coautor del estudio, Joshua Knobloch, investigador postdoctoral asociado a JILA, un instituto de investigación conjunto de la Universidad de California en Boulder y el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST). "Nuestro objetivo es comprender la física fundamental implicada para poder diseñar futuros dispositivos que gestionen eficazmente el flujo de calor".
La investigación comenzó con una observación inexplicable: En 2015, los investigadores dirigidos por los físicos Margaret Murnane y Henry Kapteyn en el JILA estaban experimentando con barras de metal que eran muchas veces más delgadas que el ancho de un cabello humano sobre una base de silicio. Cuando calentaron esas barras con un láser, ocurrió algo extraño.
"Se comportaron de forma muy contraintuitiva", dijo Knobloch. "Estas fuentes de calor a escala nanométrica no suelen disipar el calor con eficacia. Pero si las agrupas, se enfrían mucho más rápido".
Ahora, los investigadores saben por qué ocurre esto.
En el nuevo estudio, utilizaron simulaciones por ordenador para seguir el paso del calor de sus barras de tamaño nanométrico. Descubrieron que cuando colocaban las fuentes de calor cerca unas de otras, las vibraciones de energía que producían empezaban a rebotar entre sí, dispersando el calor y enfriando las barras.
Los resultados del grupo ponen de manifiesto un importante reto en el diseño de la próxima generación de dispositivos diminutos, como los microprocesadores o los chips informáticos cuánticos: Cuando se reduce a escalas muy pequeñas, el calor no siempre se comporta como se cree que debería.
Átomo a átomo
La transmisión del calor en los dispositivos es importante, añaden los investigadores. Incluso los defectos más pequeños en el diseño de componentes electrónicos como los chips de ordenador pueden hacer que la temperatura aumente, añadiendo desgaste a un dispositivo. A medida que las empresas tecnológicas se esfuerzan por producir aparatos electrónicos cada vez más pequeños, tendrán que prestar más atención que nunca a los fonones, las vibraciones de los átomos que transportan el calor en los sólidos.
"El flujo de calor es un proceso muy complejo, por lo que es difícil de controlar", explica Knobloch. "Pero si podemos entender cómo se comportan los fonones a pequeña escala, podremos adaptar su transporte, lo que nos permitirá construir dispositivos más eficientes".
Para ello, Murnane y Kapteyn y su equipo de físicos experimentales unieron fuerzas con un grupo de teóricos dirigido por Mahmoud Hussein, profesor del Departamento de Ciencias de Ingeniería Aeroespacial Ann y H.J. Smead. Su grupo está especializado en la simulación, o modelización, del movimiento de los fonones.
"A escala atómica, la propia naturaleza de la transferencia de calor emerge bajo una nueva luz", dijo Hussein, que también tiene un nombramiento de cortesía en el Departamento de Física.
Los investigadores, en esencia, recrearon su experimento de varios años antes, pero esta vez, completamente en un ordenador. Modelaron una serie de barras de silicio, colocadas una al lado de la otra como los listones de una vía de tren, y las calentaron.
Las simulaciones eran tan detalladas, dijo Knobloch, que el equipo podía seguir el comportamiento de todos y cada uno de los átomos del modelo -millones de ellos en total- de principio a fin.
"Estábamos realmente empujando los límites de la memoria del superordenador Summit de CU Boulder", dijo.
Dirigir el calor
La técnica dio sus frutos. Los investigadores descubrieron, por ejemplo, que cuando separaban las barras de silicio lo suficiente, el calor tendía a escapar de esos materiales de forma predecible. La energía se escapaba de las barras y pasaba al material que había debajo, disipándose en todas las direcciones.
Sin embargo, cuando las barras se acercaban, ocurría algo más. Al dispersarse el calor de esas fuentes, se forzaba a que esa energía fluyera más intensamente lejos de las fuentes, como una multitud de personas en un estadio que se empujan unas a otras y acaban saltando por la salida. El equipo denominó a este fenómeno "canalización térmica direccional".
"Este fenómeno aumenta el transporte de calor hacia el interior del sustrato y lo aleja de las fuentes de calor", dijo Knobloch.
Los investigadores sospechan que los ingenieros podrían aprovechar algún día este comportamiento inusual para controlar mejor cómo fluye el calor en los pequeños aparatos electrónicos, dirigiendo esa energía por un camino deseado, en lugar de dejarla correr libremente.
Por el momento, los investigadores ven en este último estudio lo que pueden hacer científicos de distintas disciplinas cuando trabajan juntos.
"Este proyecto fue una colaboración muy interesante entre la ciencia y la ingeniería, en la que los métodos avanzados de análisis computacional desarrollados por el grupo de Mahmoud fueron fundamentales para comprender el comportamiento de nuevos materiales descubiertos anteriormente por nuestro grupo utilizando nuevas fuentes de luz cuántica ultravioleta extrema", dijo Murnane, también profesor de física.
Otros coautores de la CU Boulder en la nueva investigación son Hossein Honarvar, investigador postdoctoral en ciencias de ingeniería aeroespacial y del JILA, y Brendan McBennett, estudiante de posgrado del JILA. Los antiguos investigadores del JILA Travis Frazer, Begoña Abad y Jorge Hernández-Charpak también contribuyeron al estudio.
Fuentes, créditos y referencias:
Directional thermal channeling: A phenomenon triggered by tight packing of heat sources, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2109056118
Imagen: Un láser calienta barras ultrafinas de silicio. Crédito: Steven Burrows/JILA