Harnessing Polaritons: I Piccoli Centri Energetici che Stanno Trasformando la Tecnologia dei Semiconduttori.
Le particelle quantistiche note come fononi sono responsabili del movimento dell'energia termica in un processo chiamato trasferimento di calore. Tuttavia, con l’avvento di semiconduttori su scala nanometrica sempre più sofisticati, i fononi da soli non sono sufficienti a dissipare il calore. Questo enigma ha motivato i ricercatori della Purdue University a esplorare un nuovo aspetto del trasferimento di calore su scala nanometrica utilizzando quasiparticelle ibride note come “polaritoni”.
Il trasferimento di calore esercita un fascino particolare su Thomas Beechem, professore associato di ingegneria meccanica alla Purdue University. Paragona fononi e fotoni, che sono particelle rappresentative dell'energia in contrapposizione alle entità fisiche, ai componenti di una Prius ibrida. La novità del “polaritone” risiede nella sua composizione: una combinazione di fotone e fonone, che incorpora le caratteristiche di ciascuno ma possiede anche attributi distinti.
Nonostante il loro ruolo nelle applicazioni ottiche che vanno dalle vetrate artistiche ai kit per test sanitari, le capacità di trasferimento del calore dei polaritoni erano state in gran parte trascurate a causa della loro importanza nei materiali di dimensioni nanometriche. Jacob Minyard, un dottorato di ricerca. studente che lavorava con Beechem, spiega che è stata la miniaturizzazione incontrollata dei semiconduttori, che apparentemente ostacolava l'efficienza dei fononi nella dispersione del calore, a portarli a considerare i polaritoni come un mezzo alternativo di trasferimento del calore. Minyard suggerisce che i polaritoni potrebbero dare un contributo più significativo alla conduttività termica di questi semiconduttori su piccola scala.
Questo suggerimento è stato avanzato nella loro ricerca pubblicata sul Journal of Applied Physics. Beechem parla di come la comunità del trasferimento di calore abbia osservato l'impatto dei polaritoni in modo segmentato, concentrandosi sui loro effetti su diversi materiali o interfacce. Tuttavia, la loro ricerca fa luce sul ruolo dominante dei polaritoni nel trasferimento di calore per superfici più sottili di 10 nanometri, che secondo Beechem sono il doppio dei transistor presenti in un iPhone 15.
L’entusiasmo di Beechem è palpabile mentre parla delle opportunità che il trasferimento di calore dei polaritoni potrebbe offrire all’industria dei semiconduttori, soprattutto in termini di progettazione che incorpori sia fononi che polaritoni. Per quanto riguarda come ciò potrebbe essere fatto nel mondo reale, Minyard riconosce che le loro scoperte hanno appena scalfito la superficie e che sono necessarie ulteriori ricerche per capire come i molteplici materiali utilizzati nella produzione di chip potrebbero essere ottimizzati per una conduzione del calore più efficiente.
Alla luce di ciò, entrambi i ricercatori desiderano aiutare i produttori di chip a incorporare i risultati della ricerca teorica nella progettazione effettiva dei chip semiconduttori. Sottolineano che l'incorporazione dovrebbe mirare all'uso efficiente dei polaritoni nel trasferimento del calore fin dall'inizio del progetto, compresa la scelta dei materiali e la configurazione degli strati del chip. Ai loro occhi, la sfida di tradurre la teoria in pratica è entusiasmante e sono ansiosi di procedere con la sperimentazione fisica nell’ambiente favorevole della Purdue University.
"La comunità del trasferimento di calore qui a Purdue è molto solida", ha affermato Beechem. “Possiamo letteralmente andare di sopra e parlare con Xianfan Xu, che ha avuto una delle prime realizzazioni sperimentali di questo effetto. Quindi possiamo andare al Flex Lab e chiedere a Xiulin Ruan del suo lavoro pionieristico sulla diffusione dei fononi. E qui al Birck Nanotechnology Center abbiamo le strutture per costruire esperimenti su scala nanometrica e utilizzare strumenti di misurazione unici per confermare le nostre scoperte. È davvero il sogno di ogni ricercatore”.
