Transferencia de calor eficaz a escala nanométrica
Hace aproximadamente una década se descubrió un método nuevo y altamente eficiente para la conducción térmica: el transporte de calor mediante excitaciones magnéticas en materiales magnéticos cuánticos cuasi-unidimiensionales (1D). Si bien la conductividad térmica proveniente de las excitaciones magnéticas es casi tan eficiente como en los materiales metálicos convencionales a temperatura ambiente, dichos compuestos magnéticos novedosos ofrecen innumerables ventajas en lo que se refiere a una gestión térmica eficaz. El proyecto «Low-dimensional quantum magnets for thermal management» (LOTHERM) , financiado por la UE, se ha centrado en la utilización de imanes cuánticos cuasi-unidimensionales (1D) para conseguir una reducción del calor más rápida y eficaz en dispositivos y circuitos electrónicos. Bajo este enfoque, el calor se conduce a lo largo de un eje cristalino mientras que los demás ejes presentan una resistencia térmica. Además, el calor se transporta por impulsos magnéticos localizados que se pueden manipular mediante campos magnéticos o luz. De este modo se podría desarrollar un aislante eléctrico con la conductividad térmica ajustable a temperatura ambiente. Se han desarrollado y probado a altas temperaturas ciertos cristales únicos de alta pureza y variantes dopadas con conductividades térmicas elevadas (valores elevados de susceptibilidad magnética kappa), así como imanes cuánticos de dimensiones reducidas, como los compuestos en escalera de cinco patas. Los cristales únicos de alta pureza han demostrado poseer una conductividad elevada mientras que el desorden artificial inducido por el dopaje provoca una supresión drástica del valor de susceptibilidad magnética kappa. Se han desarrollado asimismo películas finas a partir de dichos materiales. Ha habido un avance considerable en el desarrollo de técnicas experimentales novedosas orientadas al transporte magnético y su dinámica. Los participantes en el proyecto han conseguido datos de conductividad térmica hasta los 800 Kelvin. Se han simulado flujos de calor con el propósito de evaluar las posibilidades de la gestión térmica en materiales con valores kappa elevados, lo cual permite caracterizar dispositivos electrónicos semejantes a los reales. El equipo ha llegado a fabricar y caracterizar un dispositivo que incluye un material con un valor de susceptibilidad magnética kappa elevado, que ha mostrado una distribución térmica superficial altamente anisotrópica. Con ello se han podido estudiar propiedades de conducción térmica extraordinarias como la distribución incorrecta del flujo térmico. LOTHERM ha contribuido al crecimiento sostenido europeo al aplicar materiales a la gestión energética y a la disipación del calor a nivel nanométrico. Los imanes unidimensionales (1D) ofrecen una oportunidad singular para estudiar los estados fundamentales y excitados de los modelos cuánticos así como las interacciones entre las fluctuaciones cuánticas y térmicas.
Palabras clave
Gestión térmica, imán cuántico, dimensiones reducidas, conductividad térmica, disipación térmica, susceptibilidad magnética (kappa)
