Цепочка атомов золота позволит ученым выяснить все тонкости процесса переноса тепла на наноуровне - «Наука и технологии»

Точный контроль движения потоков электронов делает возможным создание сложных логических схем и другой микроэлектроники, которая функционирует внутри наши смартфонов, компьютеров и прочей техники. Контроль за распространением тепла имеет практически такое же фундаментальное значение, при его помощи можно создавать эффективные системы охлаждения и отвода тепла от горячих компонентов. Однако, процесс распространения тепла менее изучен, нежели процесс распространения электрического тока, из-за чего ученые стараются заполнить все пробелы в этой области знаний. И недавно, усилиями международной группы ученых, была создана технология, реализованная в виде наноразмерной системы, использование которой позволит прояснить большинство малоизученных моментов процесса переноса тепла. Более того, при помощи этой системы ученым уже удалось выяснить, что закон Видеманна-Франца (Wiedemann-Franz law), сохраняется при уменьшении масштаба системы до атомарного уровня.

Главный объектом исследовательской системы является микроскопический золотой проводник. Этот проводник растягивался до тех пор, пока в одном сете он не приобрел толщину в один атом, превратившись, таким образом в цепочку из атомов золота. Через этот проводник, который является самым тонким электрическим проводником на сегодняшний день, ученые пропускали электрический ток с заданными параметрами, а делалось все это для экспериментального подтверждения результатов, полученных при помощи расчетов теоретических математических моделей. Измеренные значения удельной электрической проводимости и других параметров проводника позволили ученым вычислить косвенным методом значение температурной разницы отдельных его частей, разницу, которую невозможно измерить традиционным способом в случае проводника атомарной толщины.

Главным вопросом, ответ на который пытались найти ученые во время экспериментов, заключается в том, сохраняются ли на атомарном уровне эффекты, определяемые законом Видеманна-Франца, который, в свою очередь, говорит о том, что электрическая и тепловая проводимость пропорционально связаны друг другу. Сомнения в достоверности закона на атомарном уровне возникали у ученых из-за того, что электроны, так же как и волны колебаний атомов (фононы), способны переносить тепловую энергию. А для описания процесса переноса тепла электронами и фононами на самом маленьком уровне используются не законы обычной физики, а законы квантовой механики.

Несколько из участников научной группы произвели серию предварительных теоретических расчетов, которые показали удивительную вещь. Оказывается, что на атомарном уровне, доля тепловой энергии, переносимой фононами, составляет максимум десять процентов от всего перемещающегося потока тепла, и это вид переноса не играет решающего значения. И это, в свою очередь, служит прямым подтверждением закона Видеманна-Франца.
В течение достаточно длительного времени ученые могли изучать процессы переноса электрических зарядов и потоков тепла через наноструктуры только путем расчета сложных теоретических моделей. Новая экспериментальная установка теперь позволит свести воедино теорию и экспериментальную часть. Это стало возможным за счет создания новых высокоточных и малошумящих измерительных приборов, созданных группой ученых из Мичиганского университета, благодаря которым сигналы могут быть измерены, выделены и очищены от посторонних шумов.

И в заключении следует отметить, что подобные принципы измерения потоков электронов и потоков тепловой энергии могут быть применены не только по отношению к нанопроводникам атомарной толщины. Их можно с успехом использовать и по отношению ко многим другим наносистемам, подтверждая экспериментальным путем результаты теоретических исследований фундаментального процесса квантового переноса тепла. И это, в свою очередь, позволит в будущем создавать нано- и микроэлектронные системы, использующие подаваемую ими энергию более эффективно, нежели это возможно сейчас.