Новая технология охлаждения электроники с помощью света и звука: как работают фонон-поляритоны и почему они важны

Современные электронные устройства, такие как смартфоны, ноутбуки, телевизоры и прочие, становятся все мощнее и функциональнее. Однако с ростом производительности возрастает и тепловыделение, которое может привести к перегреву, снижению эффективности и даже повреждению компонентов. Поэтому разработка новых способов охлаждения электроники является одной из актуальных и важных задач для науки и технологии.

Традиционно, теплоотвод в электронных устройствах осуществляется с помощью металлических радиаторов, вентиляторов, теплопроводящих паст и прочих средств, которые увеличивают вес, размер и энергопотребление устройств. Кроме того, эти способы охлаждения не всегда эффективны при высоких температурах и частотах работы. Поэтому исследователи ищут новые альтернативные каналы теплоотвода, которые могут быть более легкими, компактными и быстрыми.

Один из таких потенциальных каналов теплоотвода был открыт недавно командой ученых из Вандербильтского университета и Национальной лаборатории Оук Ридж в США. Они обнаружили, что поверхностные фонон-поляритоны, гибридные квазичастицы, возникающие в результате взаимодействия инфракрасного света и оптически активных колебаний атомов (фононов), могут существенно способствовать теплопередаче в тонких пленках и нанопроводах из полярных кристаллов, таких как карбид кремния (SiC).

Фонон-поляритоны — это особые волны, которые распространяются по поверхности полярных кристаллов и переносят энергию как света, так и фононов. Они имеют очень короткую длину волны, что позволяет им локализовывать и концентрировать энергию в масштабах нанометров. Ранее предполагалось, что фонон-поляритоны могут влиять на теплопроводность полярных тонких пленок и нанопроводов, но до сих пор не было прямых и убедительных экспериментальных доказательств этого.

Исследователи из Вандербильтского университета и Национальной лаборатории Оук Ридж смогли продемонстрировать явное увеличение теплопроводности в SiC нанопроводах с и без металлических запускателей поляритонов на концах. Они использовали специальную технику, называемую термоотражательной микроскопией, которая позволяет измерять температуру и тепловой поток на поверхности образцов с высоким разрешением. Они обнаружили, что фонон-поляритоны могут переносить тепло на расстояния до нескольких микрометров, что значительно превышает длину волны фононов в SiC. Кроме того, они показали, что теплопередача с помощью фонон-поляритонов может быть управляема с помощью металлических запускателей, которые возбуждают и направляют поляритоны в нужном направлении.

Это открытие имеет широкие последствия для разработки новых стратегий охлаждения в современных электронных устройствах. Фонон-поляритоны могут обеспечить быстрый и эффективный теплоотвод в тонких пленках и нанопроводах, которые широко используются в наноэлектронике, оптоэлектронике, фотовольтаике и других областях. Кроме того, фонон-поляритоны могут быть интегрированы с другими нанофотоническими элементами, такими как плазмоны, метаматериалы и квантовые точки, для создания сложных и функциональных наноустройств. Наконец, фонон-поляритоны могут способствовать улучшению качества жизни и борьбе с изменением климата, так как они могут снизить энергопотребление и выбросы парниковых газов, связанные с охлаждением электроники.

Исследование фонон-поляритонов и их роли в теплопередаче является новым и перспективным направлением в науке и технологии. Оно открывает новые возможности для понимания и управления тепловыми процессами в наномасштабе и создания новых теплофункциональных материалов и устройств. Мы надеемся, что эта статья помогла вам узнать больше об этой увлекательной теме и заинтересовала вас к дальнейшему изучению и применению фонон-поляритонов.