在熱傳遞的高速公路上，熱能是透過被稱為聲子的量子粒子移動的。但在當今最尖端半導體的奈米尺度上，這些聲子並不能帶走足夠的熱量。這就是為什麼普渡大學的研究人員專注於利用被稱為”極化子”的混合準粒子，在傳熱高速公路上開闢一條新的奈米級車道。

機械工程副教授托馬斯-比切姆說：”我們有幾種描述能量的方法。當我們談論光時，我們用稱為’光子’的粒子來描述它。熱也以可預測的方式攜帶能量，我們將這些能量波描述為’聲子’。但有時根據材料的不同，光子和聲子會結合在一起，產生一種新的東西，稱為”極化子”。它以自己的方式攜帶能量，既不同於光子，也不同於聲子”。

與光子和聲子一樣，極化子也不是你能看到或捕捉到的物理粒子。它們更像是描述能量交換的方式，就好像它們是粒子一樣。

還很模糊嗎？換個比喻。比切姆說：「聲子就像內燃機車，光子就像電動車。極子是豐田普銳斯。它們是光和熱的混合體，保留了兩者的某些特性。但它們有自己的特殊性。”

“極化子已被應用於光學領域–從彩色玻璃到家庭健康測試無所不包。但它們移動熱量的能力在很大程度上被忽視了，因為只有當材料的尺寸變得非常小時，它們的影響才會變得顯著。”貝歇姆實驗室的博士生雅各布-明亞德（Jacob Minyard）說：”我們知道，聲子完成了大部分的熱傳遞工作。極化子的效應只能在奈米尺度上觀察到。但直到現在，由於半導體的存在，我們才需要在這個層面上解決傳熱問題。半導體已經變得如此小巧和複雜，令人難以置信。設計和製造這些晶片的人發現，聲子在這些非常小的尺度上並不能有效地散熱。我們的論文證明，在這些長度尺度上，極化子可以貢獻更大份額的熱傳導率。”

他們關於極化子的研究已被選為《應用物理學雜誌》（Journal of Applied Physics）的特色文章。

比切姆說：”我們傳熱學界在描述極化子效應時，一直是針對特定材料的。有人會在這種材料或那種界面上觀察到極化子效應。這一切都非常不同。雅各布的論文證實了這並非偶然現象。在任何薄於10 納米的表面上，極化子都開始主導熱傳遞。這相當於iPhone 15 上晶體管大小的兩倍。我們的工作就像是在高速在公路上開闢了一條額外的車道。規模越小，這條額外的車道就越重要。隨著半導體的不斷縮小，我們需要考慮設計交通流，以同時利用聲子和極化子這兩條車道。 “

明亞德的論文只是觸及瞭如何實際實現這一點的表面。半導體的複雜性意味著有很多機會利用偏振子友好型設計：”晶片製造涉及許多材料，從矽本身到電介質和金屬，我們的研究方向是了解如何利用這些材料更有效地傳導熱量，同時認識到極化子提供了一種全新的能量移動途徑。”

在認識到這一點後，比切姆和明亞德希望向晶片製造商展示如何將這些基於極化子的奈米級傳熱原理直接融入晶片的物理設計中–從所涉及的物理材料，到晶片層的形狀和厚度。

雖然這項工作現在還只是理論上的，但物理實驗即將展開。

參考文獻雅各布-明亞德（Jacob Minyard）和托馬斯-比切姆（Thomas E. Beechem）於2023 年10 月24 日在《應用物理學雜誌》上發表的題為”支配面內聲子-極化子熱導率的材料特性”的文章。

doi: 10.1063/5.0173917

編譯來源：ScitechDaily