Come i transistor termici possono controllare i dispositivi MEM

Negli ultimi anni, gli ingegneri hanno iniziato a progettare e testare transistor termici con un certo successo. Il loro obiettivo è esercitare sul calore lo stesso controllo che hanno già sulla corrente elettrica: la capacità di accenderlo e spegnerlo, di modularlo e persino di amplificarlo.

Ciò sarebbe estremamente utile per gestire la dissipazione del calore ma anche per creare porte logiche termiche in grado di elaborare le informazioni sotto forma di calore.

I transistor termici costruiti finora funzionano tutti modulando il flusso di fononi, o vibrazioni termiche, da un materiale all'altro. Perché questo funzioni, i materiali devono essere in contatto fisico l'uno con l'altro.

Ma c'è un altro modo per far fluire il calore: per trasferimento radiativo. In questo caso, il calore scorre con il passaggio di fotoni termici da un materiale all'altro. In questo caso, non è necessario che i materiali siano a contatto fisico.

Oggi, Philippe Ben-Abdallah dell'Université Paris-Sud in Francia e Svend-Age Biehs della Carl von Ossietzky Universität in Germania, svelano il primo transistor termico che funziona con fotoni termici. Il grande vantaggio di questo dispositivo è che funziona a velocità molto più elevate rispetto ai transistor fononi, potenzialmente alla velocità della luce.

Il design è semplice. Il transistor è costituito da tre parti, che Ben-Abdallah e Biehs chiamano source, drain e gate, in analogia a un transistor convenzionale. La sorgente e lo scarico sono realizzati in silice e mantenuti a temperature diverse per creare un gradiente di temperatura.

La sorgente, più calda dello scarico, emette fotoni termici che trasferiscono calore allo scarico.

Tuttavia, questi materiali sono separati da un sottile strato di ossido di vanadio, che funge da porta. Ciascuno di questi tre strati è inoltre separato l'uno dall'altro da uno spazio di circa 50 nanometri per garantire che il trasferimento di calore sia solo radiativo.

L'ossido di vanadio ha l'interessante proprietà di passare dall'essere un conduttore di fotoni a un isolante mentre si raffredda. (La temperatura critica alla quale ciò accade è chiamata temperatura di transizione di Mott.)

Il trucco dietro il transistor di Ben-Abdallah e Biehs è mantenere lo strato di ossido di vanadio vicino alla sua temperatura di transizione. Quando il materiale funge da isolante, i fotoni termici non possono passare e il transistor si comporta come un interruttore spento.

Ma aumentando la temperatura dell'ossido di vanadio al di sopra del suo punto di transizione, il transistor viene 'acceso' e inizia a condurre fotoni termici. Quindi un piccolo cambiamento nella temperatura del cancello porta a un drammatico cambiamento nel flusso di calore attraverso il dispositivo. Voilà, un transistor termico!

È un'idea intelligente che Ben-Abdallah e Biehs hanno sviluppato in un dispositivo funzionante che testano nel loro articolo. Mostrano come utilizzare questo transistor per modulare il flusso di calore, per attivare e disattivare il flusso e persino per amplificare il flusso, proprio come un normale transistor elettronico.

Questo tipo di lavoro potrebbe avere importanti applicazioni. Ben-Abdallah e Biehs parlano di porte logiche termiche e memorie termiche per l'archiviazione e l'elaborazione delle informazioni termiche. E dicono che questi dispositivi dovrebbero avere alcune proprietà interessanti. L'attuale concetto autorizza velocità operative molto più elevate (velocità della luce) e dovrebbe essere molto competitivo rispetto ai precedenti, dicono.

Ma ci sono anche altri usi, come nelle macchine microelettromeccaniche in cui il calore può essere utilizzato per spostare dispositivi microscopici come i cantilever. La capacità di attivare e disattivare questo movimento utilizzando transistor termici è un'idea con un grande potenziale.

Non è chiaro quando vedremo questi tipi di transistor in azione. Ma la tecnologia è disponibile ora, quindi prima o poi è una forte possibilità.

Rif: arxiv.org/abs/1310.0002 : Transistor termico a campo vicino

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