Dans des découvertes qui pourraient aider à surmonter un obstacle technologique majeur sur la voie d'une électronique plus petite et plus puissante, une équipe de recherche internationale impliquant des chercheurs en génie de l'Université du Michigan, a montré les manières uniques dont la chaleur se dissipe aux plus petites échelles.

Un article sur la recherche est publié dans l'édition du 13 juin de La nature .

Lorsqu'un courant traverse un matériau conducteur d'électricité, il génère de la chaleur. Comprendre où la température va augmenter dans un système électronique aide les ingénieurs à concevoir des ordinateurs performants, téléphones portables et appareils médicaux, par exemple. Alors que la génération de chaleur dans les circuits plus grands est bien comprise, la physique classique ne peut pas décrire la relation entre la chaleur et l'électricité à l'extrémité ultime de l'échelle nanométrique, où les appareils mesurent environ un nanomètre et ne sont constitués que de quelques atomes.

Au cours des deux prochaines décennies, les chercheurs en informatique et en génie devraient travailler à cette échelle « atomique », selon Pramod Reddy, U-M professeur adjoint de génie mécanique et de science et ingénierie des matériaux qui a dirigé la recherche.

"À 20 ou 30 nanomètres de taille, les régions actives des transistors actuels ont de très petites dimensions, " Reddy a dit. " Cependant, si l'industrie suit le rythme de la loi de Moore et continue de réduire la taille des transistors pour doubler leur densité sur un circuit, alors les échelles atomiques ne sont pas loin.

"La chose la plus importante alors, est de comprendre la relation entre la chaleur dissipée et la structure électronique de l'appareil, en l'absence de quoi vous ne pouvez pas vraiment tirer parti de l'échelle atomique. Ce travail donne un aperçu de cela pour la première fois. »

Les chercheurs ont montré expérimentalement comment un système à l'échelle atomique s'échauffe, et en quoi cela diffère du processus à l'échelle macroscopique. Ils ont également conçu un cadre pour expliquer le processus.

Dans le tangible, monde à grande échelle, quand l'électricité traverse un fil, tout le fil chauffe, de même que toutes les électrodes le long de celui-ci. En revanche, lorsque le "fil" est une molécule de taille nanométrique et ne connectant que deux électrodes, la température s'élève majoritairement dans l'un d'eux.

"Dans un appareil à l'échelle atomique, tout le chauffage est concentré à un endroit et moins à d'autres, " dit Reddy.

Pour y parvenir, Les chercheurs du laboratoire de Reddy (les doctorants Woochul Lee et Wonho Jeong et le boursier postdoctoral Kyeongtae Kim) ont développé des techniques pour créer des dispositifs à l'échelle atomique stables et conçu et construit un thermomètre nanométrique personnalisé intégré dans un dispositif en forme de cône. Des molécules ou des atomes uniques ont été piégés entre le dispositif en forme de cône et une fine plaque d'or pour étudier la dissipation de chaleur dans des circuits à l'échelle moléculaire prototypes.

"Les résultats de ce travail établissent également fermement la validité d'une théorie de la dissipation thermique proposée à l'origine par Rolf Landauer, un physicien d'IBM, " Reddy a dit. " Plus loin, les enseignements tirés de ce travail permettent également de mieux comprendre la relation entre la dissipation thermique et les phénomènes thermoélectriques à l'échelle atomique, qui est la conversion de la chaleur en électricité."