纳米温度计可揭秘原子尺度热散逸

据物理学家组织网近日报道，一个由美国密歇根大学等单位研究人员组成的国际小组开发出一种纳米级的“温度计”，能从原子尺度测量热散逸，并首次建立了一种框架，来解释纳米级系统的热散逸现象。这一成果为开发体积更小、功能更强的电子设备扫除了一项重要技术障碍。相关论文发表在《自然》杂志上。

电流通过导电材料时会产生热，理解电子系统中热是从哪里产生的，有助于工程师设计性能可靠而高效的计算机、手机和医疗设备等。在较大线路中，人们很容易理解热是怎样产生的，但对纳米尺度的终端，经典物理学却无法描述热和电之间的关系。这些设备可能只有几个纳米大小，或由几个原子构成。

原子与单分子接点代表了电路微型化的最终极限，也是测试量子传输理论的理想平台。要描述新功能纳米设备的电荷与能量传输，离不开量子传输理论。在今后的20年，计算机科学与工程人员预期可能会在“原子”尺度开展工作。但由于实验条件限制，人们对原子设备的热散逸与传播还了解甚少，也为开发新型纳米设备带来了很大障碍。

该研究领导者、密歇根大学机械工程和材料科学与工程副教授普拉姆德·雷迪说：“目前晶体管已经达到极小量度，在20或30纳米级别。如果该行业继续按照摩尔定律的速度发展下去，线路中晶体管体积缩小的速度是其密度的两倍，如此离原子级别已经不远。然后，最重要的事情就是要理解热量散播和设备电子结构之间的关系，如果缺乏这方面的知识，就无法真正掌控原子级设备，我们的研究首次揭示了这一领域。”

雷迪实验室博士生李宇哲（音译）等人开发出一种技术，特制了一个稳定的原子设备和一种纳米大小的温度计，将二者结合做成一种圆锥形工具。在分子样本线路中，圆锥形工具和一片黄金薄片之间能捕获一个分子或原子，以研究其热散逸。他们通过实验显示了一个原子级系统的变热过程，以及这一过程与宏观尺度变热过程的不同，并且设计了一个框架来解释这一过程。

雷迪解释说，在可接触的宏观世界里，当电流通过导线时，整个导线都会发热，与其相连的所有电极也是如此。相比之下，当“导线”是纳米大小的分子，而且只和两个电极接合时，温度升高主要发生在二者之一中。“在原子级设备中，所有热量集中在一个地方，很少会到其他地方。”

雷迪说：“我们的研究还进一步证实了物理学家列夫·朗道提出的热散逸理论的有效性，并深入理解了热散逸和原子尺度的热电现象之间的关系，这是从热到电之间的转变。”