Эффект направленного течения тепла поможет избежать перегрева будущих микросхем

Команда физиков из Колорадского университета в Боулдере (CU Boulder) раскрыла тайну парадоксального явления в наномасштабе, впервые наблюдавшегося ими в 2015 году: некоторые сверхмалые источники тепла остывают быстрее, если их разместить ближе друг к другу.

В новой работе исследователи воссоздали тот свой эксперимент, но в этот раз полностью на компьютере. Они смоделировали серию кремниевых стержней, уложенных бок о бок, и их нагрев. Симуляция была настолько детальной, что команда могла проследить за поведением каждого из миллионов атомов модели — для этого потребовались все ресурсы памяти суперкомпьютера Summit в CU Boulder.

Результаты численного эксперимента опубликованы на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Они демонстрируют, что если кремниевые стержни находятся достаточно далеко друг от друга,тепловая энергия просачивается из них в подложку, рассеиваясь во всех направлениях.

Но при сближении стержней картина меняется: рассеивающееся тепло фактически заставляет энергию течь более интенсивно в одном направлении. Команда назвала это явление «направленным тепловым каналом».

«Это явление увеличивает перенос тепла от источников тепла вниз в подложку», — сказал соавтор работы Джошуа Кноблох (Joshua Knobloch) из JILA, совместного исследовательского института между CU Boulder и Национальным институтом стандартов и технологий (NIST), рассуждая, что однажды инженеры смогут воспользоваться этим необычным эффектом, чтобы в малогабаритной электронике отводить тепловую энергию по требуемому пути.

«В тепловом течении задействованы очень сложные процессы, поэтому его трудно контролировать, — отмечает Кноблох. — Но если мы сможем понять, как фононы ведут себя в малом масштабе, то сможем и адаптировать их транспорт, что позволит создавать более эффективные устройства».