Publicat 30/06/2021 21:53CET

Observen per primera vegada ones tèrmiques en materials semiconductors

Archivo - Arxivo - Muntatge de termorreflexión en el domini de la freqüència utilitzat per estudiar l'existència del segon so en germani
ICMAB-CSIC - Archivo

MADRID, 30 juny (EUROPA PRESS) -

Un estudi publicat a 'Science Advances' informa, per primera vegada, de la inesperada observació d'ones tèrmiques en germani, un material semiconductor. Aquest descobriment podria millorar significativament el rendiment dels dispositius electrònics en un futur no gaire llunyà.

L'estudi està liderat per investigadors de l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC) en col·laboració amb investigadors de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i de la Universitat de Cagliari.

La calor s'origina quan els àtoms vibren, i es transfereix per difusió, a temperatura ambient. Per desgràcia, la calor és bastant difícil de controlar, i les estratègies per manipular-ho resulten bastant ineficaces. Per exemple, és comú que s'acumulin grans quantitats de calor residual en ordinadors, telèfons mòbils i, en general, en la majoria dels dispositius electrònics.

No obstant això, si la calor es transportés a través d'ones, com la llum, oferiria noves alternatives per poder-ho controlar, especialment gràcies a les propietats úniques i intrínseques de les ones. Fins ara, les ones tèrmiques només s'havien observat en uns pocs materials, com en l'heli sòlid o, més recentment, en el grafit.

Ara, investigadors han presentat l'observació d'ones tèrmiques en germani sòlid, un material semiconductor utilitzat habitualment en electrònica, similar al silici, i a temperatura ambient.

"No esperàvem trobar aquests efectes ondulatoris, coneguts com a segon so, en aquest tipus de material, ni en aquestes condicions", afirma Sebastián Reparaz, investigador de l'ICMAB en el Grup de Materials Nanoestructurados per a l'Optoelectrònica i la Captació d'Energia (NANOPTO) i líder d'aquest estudi.

El descobriment es va produir en estudiar la resposta tèrmica d'una mostra de germani sota l'efecte d'un làser, produint una ona tèrmica oscilante d'alta freqüència en la seva superfície.

Els experiments van demostrar que, contràriament al que es creia fins ara, la calor no es dissipava per difusió, sinó que es propagava en el material a través d'ones tèrmiques.

A part de l'observació en si, en l'estudi es desvetlla l'enfocament per aconseguir observar les ones tèrmiques, possiblement en qualsevol sistema material.

QUÈ ÉS EL SEGON SO I COM POT OBSERVAR-SE

Observat per primera vegada en la dècada de 1960 en l'heli sòlid, el transport tèrmic a través d'ones, conegut com a segon so, ha estat un tema recurrent en la comunitat científica, que ha intentat demostrar repetidament la seva existència en altres materials. Les recents demostracions reeixides d'aquest fenomen en el grafit han revitalitzat el seu estudi experimental.

"El segon so és el règim tèrmic en el qual la calor pot propagar-se en forma d'ones tèrmiques, en lloc del règim difusiu observat amb freqüència. Aquest tipus de transport tèrmic en forma d'ona té moltes dels avantatges que ofereixen les ones, com la interferència i la difracció", afirma Reparaz.

Segons explica l'investigador, aquests efectes ondulatoris es poden desbloquejar introduint el sistema en un camp de temperatura que varia ràpidament. "En altres paraules, un camp de temperatura que varia ràpidament força la propagació de la calor en el règim ondulatori", precisa Reparaz.

L'investigador assegura que la conclusió principal del treball és que aquests efectes ondulatoris podrien ser potencialment observats en la majoria dels materials a una freqüència de modulació del camp de temperatura suficientment gran. "La seva observació no es limita a alguns materials específics, la qual cosa és molt interessant", diu.

APLICACIONS DEL SEGON SO EN UN FUTUR PROPER

"Les possibles aplicacions del segon so són il·limitades", afirma Reparaz. No obstant això, serà necessari conèixer a fons les formes de controlar aquest règim de propagació tèrmica en qualsevol material per aconseguir aplicar-les.

Poder controlar la propagació de la calor a través de les propietats de les ones obre noves vies per dissenyar les properes generacions de dispositius tèrmics, de forma similar als ja desenvolupaments i establerts per a la llum. "En concret, el règim d'ones tèrmiques podria utilitzar-se per replantejar com tractem la calor residual", afegeix.

Des del punt de vista teòric, "aquestes troballes permeten unificar el model teòric actual, que fins ara considerava que els materials en els quals s'observava aquest tipus de comportament ondulatori (com el grafit) eren molt diferents dels materials semiconductors que s'utilitzen actualment en la fabricació de xips electrònics (com el silici i el germani)", afirma per la seva banda F. Xavier Álvarez, investigador de la UAB.

Segons aquest investigador, "ara tots aquests materials poden descriure's utilitzant les mateixes equacions". Aquesta observació estableix, per tant, un nou marc teòric que permetrà als científics, en un futur no gaire llunyà, una millora significativa en el rendiment dels dispositius electrònics, conclou Álvarez.

Contador

www.aldia.cat és el portal d'actualitat i notícies de l'Agència Europa Press en català.
© 2021 Europa Press. És prohibit de distribuir i difondre tots o part dels continguts d'aquesta pàgina web sense consentiment previ i exprés