Harnessing Polaritons: Die winzigen Kraftwerke, die die Halbleitertechnologie verwandeln

Als Phononen bekannte Quantenteilchen sind für die Bewegung thermischer Energie in einem Prozess verantwortlich, der als Wärmeübertragung bezeichnet wird. Mit dem Aufkommen immer ausgefeilterer nanoskaliger Halbleiter reichen Phononen allein jedoch nicht mehr aus, um Wärme abzuleiten. Dieses Rätsel hat Forscher der Purdue University dazu motiviert, einen neuen Aspekt der Wärmeübertragung im Nanomaßstab unter Verwendung hybrider Quasiteilchen, bekannt als „Polaritonen“, zu erforschen.

Die Wärmeübertragung ist für Thomas Beechem, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der Purdue University, eine besondere Faszination. Er vergleicht Phononen und Photonen, bei denen es sich um Teilchen handelt, die im Gegensatz zu physikalischen Einheiten repräsentativ für Energie sind, mit den Komponenten eines Hybrid-Prius. Die Neuheit des „Polaritons“ liegt in seiner Zusammensetzung: eine Kombination aus Photon und Phonon, die die Eigenschaften beider verkörpert, aber auch unterschiedliche eigene Eigenschaften besitzt.

Trotz ihrer Rolle in optischen Anwendungen, die von Glasmalereien bis hin zu Gesundheitstestkits reichen, wurden die Wärmeübertragungsfähigkeiten von Polaritonen aufgrund ihrer Bedeutung in Materialien im Nanomaßstab weitgehend übersehen. Jacob Minyard, ein Ph.D. Student, der bei Beechem arbeitet, erklärt, dass es die unkontrollierte Miniaturisierung von Halbleitern war, die scheinbar die Effizienz von Phononen bei der Wärmeverteilung behinderte, die sie dazu veranlasste, Polaritonen als alternatives Mittel zur Wärmeübertragung in Betracht zu ziehen. Minyard vermutet, dass Polaritonen einen größeren Beitrag zur Wärmeleitfähigkeit dieser kleinen Halbleiter leisten könnten.

Dieser Vorschlag wurde in ihrer Forschung zum Ausdruck gebracht, die im Journal of Applied Physics veröffentlicht wurde. Beechem spricht darüber, wie die Wärmeübertragungsgemeinschaft die Auswirkungen von Polaritonen segmentiert untersucht und sich dabei auf ihre Auswirkungen auf verschiedene Materialien oder Grenzflächen konzentriert. Ihre Forschung wirft jedoch Licht auf die dominierende Rolle von Polaritonen bei der Wärmeübertragung für Oberflächen, die dünner als 10 Nanometer sind, die laut Beechem doppelt so groß sind wie die Transistoren in einem iPhone 15.

Beechems Begeisterung ist spürbar, wenn er über die Möglichkeiten spricht, die die Polaritonen-Wärmeübertragung für die Halbleiterindustrie mit sich bringen könnte, insbesondere im Hinblick auf ein Design, das sowohl Phononen als auch Polaritonen einbezieht. Was die Frage betrifft, wie dies in der realen Welt umgesetzt werden könnte, räumt Minyard ein, dass ihre Ergebnisse kaum an der Oberfläche gekratzt haben und dass noch mehr Forschung betrieben werden muss, um zu verstehen, wie die verschiedenen Materialien, die bei der Chipherstellung verwendet werden, für eine effizientere Wärmeleitung optimiert werden könnten.

Vor diesem Hintergrund ist es beiden Forschern ein Anliegen, Chiphersteller dabei zu unterstützen, ihre theoretischen Forschungsergebnisse in das tatsächliche Design von Halbleiterchips einfließen zu lassen. Sie betonen, dass die Einbeziehung von Anfang an auf die effiziente Nutzung von Polaritonen bei der Wärmeübertragung abzielen sollte, einschließlich der Materialauswahl und der Konfiguration der Chipschichten. In ihren Augen ist die Herausforderung, die Theorie in die Praxis umzusetzen, eine spannende Herausforderung, und sie sind bestrebt, im unterstützenden Umfeld der Purdue University mit physikalischen Experimenten fortzufahren.

„Die Wärmeübertragungsgemeinschaft hier in Purdue ist so robust“, sagte Beechem. „Wir können buchstäblich nach oben gehen und mit Xianfan Xu sprechen, der eine der ersten experimentellen Erkenntnisse über diesen Effekt hatte. Dann können wir zum Flex Lab gehen und Xiulin Ruan nach seiner bahnbrechenden Arbeit zur Phononenstreuung fragen. Und wir verfügen hier im Birck Nanotechnology Center über die Einrichtungen, um Experimente im Nanomaßstab durchzuführen und einzigartige Messinstrumente zu verwenden, um unsere Ergebnisse zu bestätigen. Es ist wirklich der Traum eines jeden Forschers.“