La nuova frontiera per il trasferimento del calore elettronico. Lo studio dei ricercatori Unicatt su Nature

Comprendere il meccanismo di trasferimento del calore nei dispositivi su scala nanometrica rimane una delle maggiori sfide intellettuali nel campo della dinamica termica, di gran lunga la più rilevante dal punto di vista applicativo. Quando la dinamica termica è confinata alla nanoscala, i tempi caratteristici diventano ultraveloci, generando il fallimento della descrizione comune della propagazione dell'energia e aprendo la strada a fenomeni non convenzionali come la propagazione della temperatura simile a un'onda. 

È stata questa il campo affrontato da "Dinamica termica e onde di temperatura elettroniche in materiali correlati a strati", l'ultima ricerca prodotta nei laboratori di fisica della Cattolica: lo studio, pubblicato su Nature communication, nasce dalla collaborazione del nostro Ateneo con i ricercatori dell’Università di Ginevra, CNR-INO-Brescia, Scuola Internazionale Superiore di Studi (Sissa di Trieste) e Université Claude Bernard Lyon 1.

Professor Claudio Giannetti, possiamo considerare questo studio un nuovo traguardo nella ricerca dei materiali. Ci vuole spiegare in cosa consiste?
«In questo lavoro abbiamo sviluppato un modello che prevede un comportamento molto particolare della diffusione del calore e della temperatura in alcuni materiali. Normalmente siamo abituati a descrivere il riscaldamento di un corpo attraverso fenomeni diffusivi, in cui cioè, l’energia accumulata in un punto di diffonde nel materiale. Un po’ come quando mettiamo una goccia di colorante nell’acqua. Se però andiamo a vedere cosa succede a livello atomico e su scale di tempo molto veloci, ci accorgiamo che la temperatura può propagarsi in forma di onda, cioè con massimi e minimi che si ripetono periodicamente ne tempo, proprio come farebbe un’onda prodotta da un sasso che cade nell’acqua».
 
Che tassello aggiunge questa scoperta di materiali correlati a strati quantistici realizzata in collaborazione con altri atenei?
«La possibilità di avere onde di temperatura in solidi era stata già discussa negli ultimi anni. Ma in tutti i casi si parlava della temperatura degli ioni che formano il reticolo cristallino in un solido. Quello che abbiamo dimostrato in questo lavoro è che si può osservare un comportamento ondulatorio anche nella temperatura degli ELETTRONI prima che essi si accoppino e termalizzino con gli ioni del reticolo. Ovviamente per fare questo è necessario osservare quello che succede in maniera molto rapida, su tempi che sono dell’ordine di un 1000 miliardesimi di secondo! Questi esperimenti però sono assolutamente alla portata delle moderne tecniche di laboratorio, come quelle che sviluppiamo e utilizziamo in ILAMP».

«Un altro ingrediente fondamentale è il tipo di materiale che si considera. Per poter avere queste cosiddette onde di temperatura abbiamo studiato una particolare classe di materiali quantistici correlati, in cui cioè le interazioni tra gli elettroni sono cosi forti da dar luogo a proprietà non note in materiali più tradizionali. Ed è proprio il controllo di queste interazioni che permette di osservare e sfruttare le onde di temperatura».

Si possono già immaginare delle ricadute nella nostra quotidianità?
«La scoperta del comportamento ondulatorio della temperatura elettronica apre importanti scenari nel campo dei dispositivi miniaturizzati. In questi sistemi il problema più grande è la dissipazione del calore quando passa corrente. Questo effetto è particolarmente importante in sistemi molto piccoli. La nostra scoperta permette di pensare a nuovi materiali che, prendendo esempio da ciò che già si fa con la luce o altri tipi di onde, possano intrappolare, filtrare o riflettere le onde di temperatura in maniera totalmente nuova».
 

La ricerca completa su Nature Communication