一個(gè)由美國(guó)密歇根大學(xué)等單位研究人員組成的國(guó)際小組開發(fā)出一種納米級(jí)的“溫度計(jì)”，能從原子尺度測(cè)量熱散逸，并首次建立了一種框架，來(lái)解釋納米級(jí)系統(tǒng)的熱散逸現(xiàn)象。這一成果為開發(fā)體積更小、功能更強(qiáng)的電子設(shè)備掃除了一項(xiàng)重要技術(shù)障礙。相關(guān)論文發(fā)表在《自然》雜志上。

電流通過(guò)導(dǎo)電材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱，理解電子系統(tǒng)中熱是從哪里產(chǎn)生的，有助于工程師設(shè)計(jì)性能可靠而高效的計(jì)算機(jī)、手機(jī)和醫(yī)療設(shè)備等。在較大線路中，人們很容易理解熱是怎樣產(chǎn)生的，但對(duì)納米尺度的終端，經(jīng)典物理學(xué)卻無(wú)法描述熱和電之間的關(guān)系。這些設(shè)備可能只有幾個(gè)納米大小，或由幾個(gè)原子構(gòu)成。

原子與單分子接點(diǎn)代表了電路微型化的最終極限，也是測(cè)試量子傳輸理論的理想平臺(tái)。要描述新功能納米設(shè)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(jì)算機(jī)科學(xué)與工程人員預(yù)期可能會(huì)在“原子”尺度開展工作。但由于實(shí)驗(yàn)條件限制，人們對(duì)原子設(shè)備的熱散逸與傳播還了解甚少，也為開發(fā)新型納米設(shè)備帶來(lái)了很大障礙。

該研究領(lǐng)導(dǎo)者、密歇根大學(xué)機(jī)械工程和材料科學(xué)與工程副教授普拉姆德·雷迪說(shuō)：“目前晶體管已經(jīng)達(dá)到極小量度，在20或30納米級(jí)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(jí)別已經(jīng)不遠(yuǎn)。然后，最重要的事情就是要理解熱量散播和設(shè)備電子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，如果缺乏這方面的知識(shí)，就無(wú)法真正掌控原子級(jí)設(shè)備，我們的研究首次揭示了這一領(lǐng)域。”

雷迪實(shí)驗(yàn)室博士生李宇哲等人開發(fā)出一種技術(shù)，特制了一個(gè)穩(wěn)定的原子設(shè)備和一種納米大小的溫度計(jì)，將二者結(jié)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(gè)分子或原子，以研究其熱散逸。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)顯示了一個(gè)原子級(jí)系統(tǒng)的變熱過(guò)程，以及這一過(guò)程與宏觀尺度變熱過(guò)程的不同，并且設(shè)計(jì)了一個(gè)框架來(lái)解釋這一過(guò)程。

雷迪解釋說(shuō)，在可接觸的宏觀世界里，當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，整個(gè)導(dǎo)線都會(huì)發(fā)熱，與其相連的所有電極也是如此。相比之下，當(dāng)“導(dǎo)線”是納米大小的分子，而且只和兩個(gè)電極接合時(shí)，溫度升高主要發(fā)生在二者之一中。“在原子級(jí)設(shè)備中，所有熱量集中在一個(gè)地方，很少會(huì)到其他地方。”

雷迪說(shuō)：“我們的研究還進(jìn)一步證實(shí)了物理學(xué)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(xiàn)象之間的關(guān)系，這是從熱到電之間的轉(zhuǎn)變。”