新型納米溫度計 體積更小、功能更強

一個由美國密歇根大學等單位研究人員組成的國際小組開發(fā)出一種納米級的“溫度計”，能從原子尺度測量熱散逸，并首次建立了一種框架，來解釋納米級系統(tǒng)的熱散逸現象。這一成果為開發(fā)體積更小、功能更強的電子設備掃除了一項重要技術障礙。相關論文發(fā)表在《自然》雜志上。

電流通過導電材料時會產生熱，理解電子系統(tǒng)中熱是從哪里產生的，有助于工程師設計性能可靠而高效的計算機、手機和醫(yī)療設備等。在較大線路中，人們很容易理解熱是怎樣產生的，但對納米尺度的終端，經典物理學卻無法描述熱和電之間的關系。這些設備可能只有幾個納米大小，或由幾個原子構成。

原子與單分子接點代表了電路微型化的最終極限，也是測試量子傳輸理論的理想平臺。要描述新功能納米設備的電荷與能量傳輸，離不開量子傳輸理論。在今 后的20年，計算機科學與工程人員預期可能會在“原子”尺度開展工作。但由于實驗條件限制，人們對原子設備的熱散逸與傳播還了解甚少，也為開發(fā)新型納米設 備帶來了很大障礙。

該研究領導者、密歇根大學機械工程和材料科學與工程副教授普拉姆德·雷迪說：“目前晶體管已經達到極小量度，在20或30納米級 別。如果該行業(yè)繼續(xù)按照摩爾定律的速度發(fā)展下去，線路中晶體管體積縮小的速度是其密度的兩倍，如此離原子級別已經不遠。然后，最重要的事情就是要理解熱量 散播和設備電子結構之間的關系，如果缺乏這方面的知識，就無法真正掌控原子級設備，我們的研究首次揭示了這一領域。”

雷迪實驗室博士生李宇哲等人開發(fā)出一種技術，特制了一個穩(wěn)定的原子設備和一種納米大小的溫度計，將二者結合做成一種圓錐形工具。在分子樣本線路中， 圓錐形工具和一片黃金薄片之間能捕獲一個分子或原子，以研究其熱散逸。他們通過實驗顯示了一個原子級系統(tǒng)的變熱過程，以及這一過程與宏觀尺度變熱過程的不 同，并且設計了一個框架來解釋這一過程。

雷迪解釋說，在可接觸的宏觀世界里，當電流通過導線時，整個導線都會發(fā)熱，與其相連的所有電極也是如此。相比之下，當“導線”是納米大小的分子，而且只和兩個電極接合時，溫度升高主要發(fā)生在二者之一中。“在原子級設備中，所有熱量集中在一個地方，很少會到其他地方。”

雷迪說：“我們的研究還進一步證實了物理學家列夫·朗道提出的熱散逸理論的有效性，并深入理解了熱散逸和原子尺度的熱電現象之間的關系，這是從熱到電之間的轉變。”