Zusammenfassung:
Forscher der Carnegie Mellon University, der Stanford University und der Purdue University haben eine Methode zur Regulierung der Wärmeübertragung im Nanomaßstab demonstriert: Sie erzeugen mikroskopisch kleine Goldstrukturen auf dünnen Filmen, sodass zwei Oberflächen einander über einen sehr schmalen Spalt hinweg gegenüberstehen, wodurch die Effizienz der Wärmeübertragung über den Spalt in Form elektromagnetischer Strahlung erheblich gesteigert wird.
Im Experiment war die Wärmeübertragungskapazität des strukturell gestalteten Metamaterialgeräts bis zu etwa viermal so hoch wie die des Kontrollgeräts, das nicht die gleiche Musterstruktur verwendete. Die in „Nature“ veröffentlichte Forschungsarbeit liefert einen experimentellen Nachweis für die Verwendung künstlicher Strukturen zur Regulierung der Wärmeübertragung durch Nahfeldstrahlung.
Im alltäglichen Maßstab tauschen Objekte Wärme hauptsächlich durch Wärmeleitung, Konvektion und gewöhnliche Wärmestrahlung aus; Aber wenn zwei Oberflächen nahe bei Hunderten von Nanometern liegen, werden Nahfeldeffekte wichtig. Zu diesem Zeitpunkt kann das elektromagnetische Feld in der Nähe der Oberfläche durch Spaltkopplung Energie auf die andere Seite übertragen, wodurch die Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung die Grenze der Schwarzkörperstrahlung im Fernfeld überschreitet. Das Team testete Oberflächenabstände von etwa 250, 450 und 730 Nanometern, konstruierte Strukturen einschließlich Gold-Split-Ring-Resonatoren auf Siliziumnitridfilmen und maß Änderungen der Wärmeübertragung durch die Nanolücken.
Verbessern Sie die Synergie beider Strukturen. Der vom Gold-Split-Ring-Resonator erzeugte Resonanzmodus ist stark an die Phononpolaritonen auf der Siliziumnitridoberfläche gekoppelt; Phonon-Polaritonen sind Oberflächenwellen, die durch die Kopplung elektromagnetischer Wellen und materieller Gitterschwingungen entstehen. Sie können Energie über Lücken im Nahfeld übertragen. Das Forschungsteam unterstützte diese Erklärung durch elektromagnetische Simulationen und theoretische Analysen gekoppelter Moden. Mit anderen Worten: Ziel der Forschung ist es nicht einfach, den Wärmeleitungskanal zu vergrößern, sondern durch sorgfältige Gestaltung der Oberflächenstruktur des Materials dafür zu sorgen, dass sich die beiden Resonanzen gegenseitig verstärken.
Forscher glauben, dass diese Methode in Zukunft neue Kühlideen für Chips und Hochleistungscomputersysteme liefern könnte. Es kann auch die Effizienz von Thermophotovoltaiksystemen verbessern, die Wärmestrahlung zur Stromerzeugung nutzen, und dazu beitragen, die Signalsteuerungsfähigkeiten von Infrarotsensoren zu verbessern. Die aktuellen Ergebnisse wurden jedoch unter nanoskaligen, präzise abgestimmten und kontrollierten Laborbedingungen erzielt, und es wurden noch keine Kühler, Stromerzeugungsgeräte oder Sensorprodukte demonstriert, die direkt in kommerziellen Chips verwendet werden können. Das Forschungsteam sagte, dass in Zukunft noch technische Probleme gelöst werden müssen, etwa wie diese Struktur in tatsächliche Geräte integriert, extrem kleine Abstände eingehalten und eine großflächige Fertigung erreicht werden kann.
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