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Uma equipe de pesquisadores da UCLA revelou um transistor térmico estável e totalmente de estado sólido, o primeiro de seu tipo, que usa um campo elétrico para controlar o movimento de calor de um dispositivo semicondutor.
O estudo do grupo, que será publicado na edição de 3 de novembro da revista Ciência, detalha como o dispositivo funciona e suas possíveis aplicações. Com velocidade e desempenho máximos, o transistor poderia abrir novas fronteiras no gerenciamento de calor de chips de computador por meio de um design de nível atômico e engenharia molecular. O avanço também poderá aprofundar a compreensão de como o calor é regulado no corpo humano.
“O controle preciso de como o calor flui através dos materiais tem sido um sonho antigo, mas ilusório, para físicos e engenheiros”, disse o co-autor do estudo, Yongjie Hu, professor de engenharia mecânica e aeroespacial na Escola de Engenharia Samueli da UCLA. Este novo princípio de design dá um grande salto nessa direção, pois gerencia o movimento do calor com a comutação liga-desliga de um campo elétrico, assim como tem sido feito com transistores elétricos há décadas.”
Os transistores elétricos são os blocos de construção fundamentais da moderna tecnologia da informação. Eles foram desenvolvidos pela Bell Labs na década de 1940 e possuem três terminais – um portão, uma fonte e um coletor. Quando um campo elétrico é aplicado através da porta, ele regula como a eletricidade (na forma de elétrons) se move através do chip. Esses dispositivos semicondutores podem amplificar ou comutar sinais elétricos e energia. Mas à medida que o seu tamanho continua a diminuir ao longo dos anos, milhares de milhões de transístores podem caber num chip, resultando em mais calor gerado pelo movimento dos eletrões, o que afeta o desempenho do chip. Os dissipadores de calor convencionais retiram passivamente o calor dos pontos quentes, mas continua sendo um desafio encontrar um controle mais dinâmico para regular ativamente o calor.
Embora tenha havido esforços para ajustar a condutividade térmica, seu desempenho foi prejudicado devido à dependência de peças móveis, movimentos iônicos ou componentes de soluções líquidas. Isso resultou em velocidades de comutação lentas para movimentação de calor da ordem de minutos ou muito mais lentas, criando problemas na confiabilidade do desempenho, bem como incompatibilidade com a fabricação de semicondutores.
O novo transistor térmico, que possui efeito de campo (modulação da condutividade térmica de um material pela aplicação de um campo elétrico externo) e estado sólido completo (sem partes móveis), oferece alto desempenho e compatibilidade com circuitos integrados em semicondutores processos de fabricação. O projeto da equipe incorpora o efeito de campo na dinâmica de carga em uma interface atômica para permitir alto desempenho usando uma potência insignificante para alternar e amplificar continuamente um fluxo de calor.
A equipe da UCLA demonstrou transistores térmicos eletricamente fechados que alcançaram desempenho recorde com velocidade de comutação de mais de 1 megahertz, ou 1 milhão de ciclos por segundo. Eles também ofereceram ajuste de 1.300% em condutância térmica e desempenho confiável para mais de 1 milhão de ciclos de comutação.
“Este trabalho é o resultado de uma colaboração incrível na qual somos capazes de aproveitar nossa compreensão detalhada de moléculas e interfaces para dar um grande passo em frente no controle de propriedades importantes de materiais com potencial de impacto no mundo real”, disse co- autor Paul Weiss, professor de química e bioquímica. “Conseguimos melhorar a velocidade e o tamanho do efeito de comutação térmica em ordens de grandeza em relação ao que era possível anteriormente.”
No projeto de prova de conceito da equipe, uma interface molecular automontada é fabricada e atua como um canal para o movimento do calor. Ligar e desligar um campo elétrico através de uma porta de terceiro terminal controla a resistência térmica através das interfaces atômicas e, assim, permite que o calor se mova através do material com precisão. Os pesquisadores validaram o desempenho do transistor com experimentos de espectroscopia e conduziram cálculos teóricos de primeiros princípios que levaram em conta os efeitos de campo nas características de átomos e moléculas.
O estudo apresenta uma inovação tecnológica escalável para energia sustentável na fabricação e desempenho de chips. Hu sugeriu que o conceito também oferece uma nova maneira de compreender o gerenciamento do calor no corpo humano.
“No nível fundamental, a plataforma poderia fornecer insights sobre os mecanismos de nível molecular das células vivas”, acrescentou Hu.
Outros autores do artigo – todos da UCLA – incluem Man Li, Huan Wu, Erin Avery, Zihao Qin, Dominic Goronzy, Huu Duy Nguyen e Tianhan Liu. Hu e Weiss também são afiliados ao California NanoSystems Institute, bem como aos departamentos de Bioengenharia e Ciência e Engenharia de Materiais da UCLA Samueli.
A pesquisa foi apoiada por doações dos Institutos Nacionais de Saúde, da Fundação Alfred P. Sloan e da National Science Foundation. O suporte técnico foi fornecido pelo UCLA Nanolab e pelo California NanoSystems Institute da UCLA. Os recursos computacionais foram fornecidos pelo Instituto de Pesquisa e Educação Digital da UCLA e pelo Ecossistema de Coordenação de Infraestrutura Cibernética Avançada: Serviços e Suporte.
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