极化子在半导体高速公路上开辟了新车道
在热传递的高速公路上，热能通过称为声子的量子粒子移动。但在当今最尖端半导体的纳米尺度上，这些声子并不能消除足够的热量。这就是为什么普渡大学的研究人员致力于通过使用称为“极化子”的混合准粒子在传热高速公路上开辟一条新的纳米级车道。
Thomas Beechem 热爱 热传递。他大声而自豪地谈论这件事，就像大帐篷复兴中的传教士一样。
“我们有几种描述能量的方法，”机械工程副教授比彻姆说。“当我们谈论光时，我们用称为&luo;光子&ruo;的粒子来描述它。热还以可预测的方式携带能量，我们将这些能量波描述为“声子”。但有时，根据材料的不同，光子和声子会聚集在一起，形成一种新的东西，称为“极化子”。它以自己的方式携带能量，不同于光子或声子。”
与光子和声子一样，极化激元不是您可以看到或捕获的物理粒子。它们更像是描述能量交换的方式， 就好像 它们是粒子一样。
仍然模糊吗?另一个比喻又如何呢?“声子就像内燃机汽车，而光子就像电动汽车，”比彻姆说。“极化子是一辆丰田普锐斯。它们是光和热的混合体，并保留了两者的一些特性。但它们有自己的特殊之处。”
极化子已用于光学应用——从彩色玻璃到家庭健康测试。但它们传递热量的能力在很大程度上被忽视了，因为只有当材料的尺寸变得非常小时它们的影响才变得显着。“我们知道声子完成了大部分传热工作，”博士雅各布·明亚德 (Jacob Minyard) 说。Beechem 实验室的学生 。“极化激元的效应只能在纳米尺度上观察到。但直到现在，由于半导体的存在，我们从未需要解决该级别的传热问题。”
“半导体 已经变得如此小而复杂，”他继续说道。“设计和制造这些芯片的人们发现，声子无法在如此小的尺度上有效地散热。我们的论文表明，在这些长度尺度上，极化子可以贡献更大份额的导热率。”
他们对极化子的研究已被选为《应用物理学杂志》的特色文章 。
“传热界的我们在描述极化激元的影响时非常注重具体材料，”Beechem 说。“有人会在这种材料或那个界面上观察到它。这一切都非常不同。雅各布的论文已经证实这不是随机的事情。极化子开始在任何厚度小于 10 纳米的表面上主导传热。这是 iPhone 15 上晶体管的两倍大。”
现在 Beechem 真的很兴奋。“我们基本上在高速公路上开辟了一条额外的车道。规模越小，这条额外的车道就变得越重要。随着半导体尺寸不断缩小，我们需要考虑设计交通流以利用两条通道：声子和极化子。”
明亚德的论文仅仅触及了这实际上如何发生的表面。半导体的复杂性意味着有很多机会利用极化子友好型设计。“芯片制造涉及许多材料，从硅本身到电介质和金属，”明亚德说。“我们研究的前进方向是了解如何使用这些材料更有效地传导热量，认识到极化激元提供了一条全新的能量传输通道。”
认识到这一点，Beechem 和 Minyard 希望向芯片制造商展示如何将这些基于极化子的纳米级传热原理融入芯片的物理设计中——从涉及的物理材料到层的形状和厚度。
虽然这项工作现在还处于理论阶段，但物理实验已经迫在眉睫——这就是比赫姆和明亚德很高兴来到普渡大学的原因。
“ 普渡大学的传热社区 非常强大，”比彻姆说。“我们实际上可以上楼与徐贤范交谈 ，他是最早实现这种效应的实验者之一。然后我们可以走到Flex Lab，向 阮秀林询问 他在 声子散射方面的开创性工作。我们在 伯克纳米技术中心拥有 进行纳米级实验的设施，并使用独一无二的测量工具来证实我们的发现。这确实是研究人员的梦想。”
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