半導體技術突破有望？“極化子”可開辟一條傳熱高速公路

在熱傳遞的“高速公路”上，熱能通過稱為聲子的量子粒子傳遞。但在當今最尖端的納米級半導體中，這些聲子并不能帶走足夠的熱量。

　　有鑒于此，美國普渡大學的研究人員希望在傳熱“高速公路”上開辟一條新的納米通道，通過使用被稱為“極化子”的混合準粒子。

　　普渡大學機械工程副教授Thomas Beechem解釋說，“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。熱量也以可預測的方式攜帶能量，我們把這些能量波稱為‘聲子’。”

　　“但有時根據材料的不同，光子和聲子會結合在一起，形成一種叫做‘極化子’的新東西。它以自己的方式攜帶能量，與光子或聲子不同。”他補充說。

　　像光子和聲子一樣，極化子不是人類可以看到或捕獲的物理粒子。它們更像是描述能量交換的方式。更生動地說，“聲子就像內燃機汽車，光子就像電動汽車”，而極化子就是“混合動力車”，它保留了兩者的一些特性，但也有自己的特殊之處。

　　事實上，極化子已被用于光學應用——從彩色玻璃到家庭健康測試。但它們轉移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。

　　研究人員說：“我們知道，聲子承擔了大部分的傳熱工作，極化子的效應只能在納米尺度上觀察到。但由于半導體的存在，我們直到現在才需要解決這個級別的傳熱問題。”

　　“半導體已經變得非常小和復雜，”他們繼續說，“設計和制造這些芯片的人發現，聲子在這些非常小的尺度上不能有效地分散熱量。我們的論文表明，在這些長度尺度上，極化子可以貢獻更大的導熱率。”

　　最新研究結果已于近期發表在了《應用物理雜志》上。

　　研究人員表示，“在熱傳導領域，我們對極化效應的描述非常具體。最新研究證明了這不是隨機事件。在任何厚度小于10納米的表面上，極化子都會開始主導熱傳遞。這是iPhone 15上晶體管的兩倍。”

　　“我們基本上在高速公路上開辟了一條額外的車道。器件越小，這條額外的通道就越重要。隨著半導體的不斷縮小，我們需要考慮設計傳導路徑，以利用聲子和極化子這兩條車道。”他們補充道。

　　研究人員還稱，芯片制造涉及到很多材料，從硅本身到電介質和金屬。其最新研究的前進方向是了解如何使用這些材料更有效地傳導熱量，認識到極化提供了一條全新的能量轉移途徑。

　　認識到這一點，研究人員希望向芯片制造商展示如何將這些基于極化的納米級傳熱原理整合到芯片的物理設計中。雖然這項工作目前還停留在理論階段，但物理實驗已經迫在眉睫。