Aprovechando los polaritones: Las diminutas maravillas que están transformando la tecnología de semiconductores.

Las partículas cuánticas conocidas como fonones son responsables del movimiento de la energía térmica en un proceso denominado transferencia de calor. Sin embargo, con la llegada de semiconductores a nanoescala cada vez más sofisticados, los fonones por sí solos no son suficientes para disipar el calor. Este enigma ha motivado a los investigadores de la Universidad Purdue a explorar un nuevo aspecto de la transferencia de calor a nanoescala utilizando cuasipartículas híbridas conocidas como "polaritones".

La transferencia de calor es una fascinación particular para Thomas Beechem, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad Purdue. Compara los fonones y los fotones, que son partículas representativas de la energía en lugar de entidades físicas, con los componentes de un Prius híbrido. La novedad del “polariton” radica en su composición: una combinación de fotón y fonón, que incorpora las características de cada uno pero que también posee atributos propios distintos.

A pesar de su papel en aplicaciones ópticas que van desde el arte de vidrieras hasta kits de pruebas de salud, las capacidades de transferencia de calor de los polaritones se habían pasado por alto en gran medida debido a su importancia en materiales de tamaño nanoescalar. Jacob Minyard, Ph.D. estudiante que trabaja con Beechem, explica que fue la miniaturización desenfrenada de los semiconductores, que aparentemente obstaculizaba la eficiencia de los fonones en la dispersión del calor, lo que los llevó a considerar los polaritones como un medio alternativo de transferencia de calor. Minyard sugiere que los polaritones podrían contribuir más significativamente a la conductividad térmica de estos semiconductores de pequeña escala.

Esta sugerencia surgió en su investigación que apareció en el Journal of Applied Physics. Beechem habla de cómo la comunidad de transferencia de calor ha estado analizando el impacto de los polaritones de manera segmentada, centrándose en sus efectos en diferentes materiales o interfaces. Sin embargo, su investigación arroja luz sobre el papel dominante de los polaritones en la transferencia de calor para superficies de menos de 10 nanómetros, que según Beechem, tienen el doble de tamaño que los transistores que se encuentran en un iPhone 15.

El entusiasmo de Beechem es palpable cuando habla de las oportunidades que la transferencia de calor por polaritones podría brindar a la industria de los semiconductores, especialmente en términos de diseño que incorpora tanto fonones como polaritones. En cuanto a cómo se podría hacer esto en el mundo real, Minyard reconoce que sus hallazgos apenas han arañado la superficie, y es necesario realizar más investigaciones para comprender cómo los múltiples materiales utilizados en la fabricación de chips podrían optimizarse para una conducción de calor más eficiente.

En vista de esto, ambos investigadores están interesados en ayudar a los fabricantes de chips a incorporar los resultados de sus investigaciones teóricas en el diseño real de chips semiconductores. Destacan que la incorporación debe apuntar al uso eficiente de los polaritones en la transferencia de calor desde el inicio del diseño, incluida la elección de los materiales y la configuración de las capas del chip. A sus ojos, el desafío de traducir la teoría a la práctica es apasionante y están ansiosos por continuar con la experimentación física dentro del entorno de apoyo de la Universidad Purdue.

"La comunidad de transferencia de calor aquí en Purdue es muy sólida", dijo Beechem. “Podemos literalmente subir las escaleras y hablar con Xianfan Xu, quien tuvo una de las primeras realizaciones experimentales de este efecto. Luego podemos acercarnos al Flex Lab y preguntarle a Xiulin Ruan sobre su trabajo pionero en la dispersión de fonones. Y tenemos las instalaciones aquí en el Centro de Nanotecnología Birck para construir experimentos a nanoescala y utilizar herramientas de medición únicas para confirmar nuestros hallazgos. Es realmente el sueño de un investigador”.