Efficace trasferimento di calore su nanoscala
Circa dieci anni fa è stato scoperto un nuovo modo altamente efficiente di condurre il calore, vale a dire mediante eccitazioni magnetiche in materiali quantistici magnetici quasi monodimensionali. La conduttività termica derivante dalle eccitazioni magnetiche è quasi efficiente quanto quella dei materiali metallici convenzionali a temperatura ambiente. Inoltre, questi nuovi composti magnetici offrono una serie di vantaggi in termini di efficacia della gestione termica. Il progetto LOTHERM ("Low-dimensional quantum magnets for thermal management"), finanziato dall'UE, si è concentrato sull'utilizzo di magneti quantistici quasi 1D per ottenere una più rapida ed efficace riduzione termica nei dispositivi e circuiti elettronici. In questo modo, il calore viene condotto lungo un asse di cristallo, mentre lungo il resto degli assi si ha resistenza termica. Inoltre, il calore viene trasportato da momenti magnetici localizzati che possono essere manipolati da campi magnetici o dalla luce. In tal modo, è possibile sviluppare un isolante elettrico con conduttività termica regolabile a temperatura ambiente. Sono stati coltivati e testati ad alte temperature alcuni cristalli singoli ad alta purezza di magneti quantistici a bassa dimensionalità con alta conducibilità termica (alto valore di k-mag), quali i composti a scala a cinque gambe. I monocristalli di elevata purezza hanno mostrato un'alta conducibilità termica, mentre il disordine indotto dal drogaggio artificiale ha causato la drastica soppressione dei valori di k-mag. Inoltre sono stati prodotti film sottili di questi materiali. Notevoli progressi sono stati compiuti in termini di sviluppo di nuove tecniche sperimentali per il trasporto e la dinamica dei magneti. I partner del progetto hanno raccolto i dati relativi alla conduttività termica fino a 800° Kelvin. Per valutare le capacità di gestione termica dei materiali ad alto valore di k-mag, è stato simulato il flusso di calore, permettendo così la caratterizzazione di dispositivi elettronici realistici. Alla fine, il team ha costruito e caratterizzato un dispositivo contenente un materiale ad alto valore di k-mag, il quale ha dimostrato un'elevata distribuzione del calore sulla superficie anisotropica. Ciò ha permesso di studiare le straordinarie proprietà di conduzione termica, inclusa la cattiva distribuzione del flusso termico. Il progetto LOTHERM ha contribuito a sostenere la crescita in Europa, sfruttando materiali per la gestione dell'energia e la dissipazione del calore su nanoscala. I magneti monodimensionali offrono la possibilità unica di studiare gli stati fondamentali ed eccitati dei modelli quantistici, nonché l'interazione tra fluttuazioni quantistiche e termiche.
Parole chiave
Gestione termica, magnete quantistico, bassa dimensionalità, conducibilità termica, dissipazione di calore, k-mag
