Científicos de la Universidad Autónoma de Madrid y de la Universidad de Michigan (EEUU) han logrado establecer los principios fundamentales que gobiernan la disipación de calor en los circuitos eléctricos de tamaño atómico. El descubrimiento abre la puerta a la posibilidad de superar uno de los grandes retos actuales de la nanociencia: la refrigiración in situ de circuitos compuestos por átomos y moléculas individuales.
La fabricación de circuitos compuestos por átomos y moléculas individuales –el objetivo final de la miniaturización de los circuitos eléctricos– es una realidad reciente. Sin embargo, hasta el momento su diseño tan sólo se lleva a cabo en laboratorios de investigación, ya que el desconocimiento de cómo se disipa el calor en ellos supone un obstáculo para su implementación en aplicaciones tecnológicas.
En un artículo publicado esta semana en la revista Nature, Juan Carlos Cuevas y Linda Angela Zotti, investigadores del Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), han contribuido a esclarecer, junto a científicos de la Universidad de Michigan (EEUU), el enigma de la disipación del calor en circuitos eléctricos de tamaño atómico.
Según constata el artículo, los investigadores utilizaron nuevos termómetros a escala nanométrica para medir la cantidad de calor disipado en una serie de nanocircuitos formados por átomos y moléculas individuales.
Los científicos además pudieron identificar cómo y donde se producía el fenómeno. “Con el desarrollo de una teoría cuántica de la conducción térmica —explica Cuevas—fue posible establecer que el lugar en el que se disipa el calor viene determinado por la estructura electrónica de los átomos y las moléculas que componen estos circuitos”.
Según expresan los investigadores de la UAM, “este descubrimiento permitirá comprender cómo se disipa el calor en numerosos dispositivos de tamaño nanométrico que deben constituir la base de la futura nanoelectrónica".
"Por otro lado –añaden– este trabajo abre la puerta a la posibilidad de usar circuitos atómicos o moleculares para refrigerar in situ nanodispositivos, en estos momentos uno de los grandes retos de la nanociencia”.
El efecto Joule es el calentamiento de un conductor por el paso de una corriente eléctrica, y está detrás del funcionamiento de muchos dispositivos de uso cotidiano, como secadores, calentadores de agua o las bombillas tradicionales.
Este fenómeno, descubierto en 1841 por el físico inglés James Prescott Joule –uno de los padres de la Termodinámica– tiene su origen en las colisiones que los electrones sufren con los iones que forman los conductores. Cuando se aplica una batería a un circuito, los electrones son acelerados y ceden su exceso de energía a los iones, dando lugar a un aumento de la temperatura.
El efecto Joule, tan beneficioso en algunos casos, tiene también aspectos muy negativos. El calentamiento inherente que conlleva puede afectar, por ejemplo, la estabilidad y eficiencia de muchos dispositivos electrónicos. De hecho, buena parte del progreso reciente en informática está relacionado con un mejor control de la disipación del calor.
Mientras que este fenómeno se comprende perfectamente en los circuitos eléctricos ordinarios, donde está gobernado por leyes clásicas, la situación es completamente distinta cuando las dimensiones de los circuitos son reducidas hasta la escala atómica. En estos casos, los electrones cruzan la parte central del circuito sin intercambiar energía con los iones, por lo que –hasta ahora– no estaba claro cómo y dónde se producía la disipación del calor.
Referencia bibliográfica:
W. Lee, K. Kim, W. Jeong, L.A. Zotti, F. Pauly, J.C. Cuevas, P. Reddy. "Heat dissipation in atomic-scale junctions". Nature, 13 de junio de 2013.
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