新型納米溫度計 體積更小、功能更強

　　一個(gè)由美國密歇根大學(xué)等單位研究人員組成的國際小組開(kāi)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(lái)解釋納米級系統的熱散逸現象。這一成果為開(kāi)發(fā)體積更小、功能更強的電子設備掃除了一項重要技術(shù)障礙。相關(guān)論文發(fā)表在《自然》雜志上。

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

　　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(kāi)量子傳輸理論。在今 后的20年，計算機科學(xué)與工程人員預期可能會(huì )在“原子”尺度開(kāi)展工作。但由于實(shí)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(kāi)發(fā)新型納米設 備帶來(lái)了很大障礙。

　　該研究領(lǐng)導者、密歇根大學(xué)機械工程和材料科學(xué)與工程副教授普拉姆德·雷迪說(shuō)：“目前晶體管已經(jīng)達到極小量度，在20或30納米級 別。如果該行業(yè)繼續按照摩爾定律的速度發(fā)展下去，線(xiàn)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(jīng)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(guān)系，如果缺乏這方面的知識，就無(wú)法真正掌控原子級設備，我們的研究首次揭示了這一領(lǐng)域。”

　　雷迪實(shí)驗室博士生李宇哲等人開(kāi)發(fā)出一種技術(shù)，特制了一個(gè)穩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(xiàn)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)驗顯示了一個(gè)原子級系統的變熱過(guò)程，以及這一過(guò)程與宏觀(guān)尺度變熱過(guò)程的不 同，并且設計了一個(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(guān)世界里，當電流通過(guò)導線(xiàn)時(shí)，整個(gè)導線(xiàn)都會(huì )發(fā)熱，與其相連的所有電極也是如此。相比之下，當“導線(xiàn)”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。“在原子級設備中，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象之間的關(guān)系，這是從熱到電之間的轉變。”