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Sbloccare il controllo dei fononi

I fononi sono i termovettori dei solidi e, in quanto tali, potrebbero rappresentare il fattore chiave per la realizzazione delle future tecnologie integrate. Un team di ricercatori è finalmente riuscito a dimostrare che il trasporto dei fononi può essere controllato mediante l’impiego di un campo elettrico.

Energia

I fononi sono i principali termovettori nei solidi e la possibilità di controllarli apre nuove possibilità di gestione e raccolta del calore nei sistemi integrati. Queste quasiparticelle possono essere manipolate in diversi modi al fine di sfruttare al meglio il calore di scarto rilasciato da numerosi sistemi differenti su scala globale. «D’altro canto, controllare il trasporto dei fononi potrebbe gettare le basi per la realizzazione di una nuova tecnologia destinata ai dispositivi logici di archiviazione dati e ai meccanismi di calcolo che si avvalgono dei fotoni nel nuovo campo della fononica», afferma Eric Langenberg, coordinatore del progetto PHONON-VALVE, finanziato dall’UE.

Come manipolare i fononi

PHONON-VALVE si è prefisso di verificare l’ipotesi secondo cui il trasporto dei fononi può essere modulato utilizzando un campo elettrico, grazie a materiali ferroelettrici chiamati pareti di dominio che fungono da barriere per i fononi. Il team ha puntato a dimostrare che i campi elettrici possano essere usati per collocare queste pareti di dominio su diverse parti di un materiale per poi essere impiegati come valvole mediante le quali è possibile controllare i fononi. «L’obiettivo finale della proposta era scoprire se le pareti di dominio riducono effettivamente la propagazione dei fononi», sottolinea Langenberg. «Se così fosse, i materiali ferroelettrici possono essere considerati eccellenti candidati da utilizzare nei nuovi dispositivi fononici». PHONON-VALVE ha iniziato progettando una vasta gamma di modelli per pareti di dominio ferroelettrico avvalendosi dello stesso materiale ferroelettrico, ma effettuando variazioni di densità. I ricercatori hanno sviluppato sottili pellicole di materiale ferroelettrico grazie a un processo chiamato ingegneria della deformazione. Il team ha poi misurato la conducibilità termica delle sottili pellicole ferroelettriche, riuscendo a determinare gli effetti delle pareti di dominio ferroelettrico sulla propagazione dei fononi. Secondo quanto rilevato, le pareti di dominio hanno avuto un effetto significativo sulla conducibilità delle pellicole sottili, molto maggiore rispetto a quello esercitato da altri materiali.

Creare circuiti fononici

I ricercatori hanno misurato la conducibilità termica delle sottili pellicole ferroelettriche mentre applicavano un campo elettrico, scoprendo che le pareti di dominio nelle pellicole sono molto malleabili dal punto di vista elettrico, indipendentemente dalla tipologia delle stesse pareti. Il team ha ottenuto una riduzione del 61 % nella conducibilità termica a temperatura ambiente rispetto allo scenario a un unico dominio. «In altre parole, le pareti di dominio ferroelettrico possono avere la stessa efficacia di altri tipi di interfacce per quanto concerne l’inibizione della trasmissione dei fononi, offrendo tuttavia il vantaggio chiave di poter essere modificate elettricamente», spiega Langenberg. In questo modo, i ricercatori di PHONON-VALVE hanno dimostrato che, in certe condizioni, le pareti di dominio elaborate elettricamente possono essere stabili per diversi giorni, un importante risultato per le applicazioni fononiche non volatili. Queste scoperte dimostrano le potenzialità e l’idoneità dei materiali ferroelettrici quali barriere attive per il controllo del trasporto termico nei dispositivi fononici. «Il prossimo passo sarà avviare una richiesta di finanziamento per continuare a esplorare questa nuova linea di ricerca intesa a controllare la propagazione dei fononi mediante l’impiego di campi elettrici», dichiara Langenberg, che conclude: «In particolare, sto prendendo in considerazione di presentare una domanda di finanziamento al CER per condurre un gruppo di ricerca sulla fononica e i materiali ferroici».

Parole chiave

PHONON-VALVE, fononi, campo elettrico, parete di dominio, ferroelettrico

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