Une étude montrant comment les électrons circulent autour de virages serrés, tels que ceux trouvés dans les circuits intégrés, pourrait potentiellement améliorer la conception de ces circuits, couramment utilisés dans les dispositifs électroniques et optoélectroniques.
On sait théoriquement depuis environ 80 ans que lorsque les électrons se déplacent dans des virages, ils ont tendance à s’échauffer parce que leurs lignes d’écoulement sont localement écrasées. Cependant, jusqu’à présent, personne n’avait mesuré la chaleur, pour laquelle il fallait d’abord imager les lignes d’écoulement.
L’équipe de recherche, dirigée par Nathaniel M. Gabor de l’Université de Californie à Riverside, a photographié les lignes de courant électrique en concevant un « électrofoil », un nouveau kind de dispositif qui permet la contorsion, la compression et l’expansion des lignes de courants électriques. de la même manière, les ailes des avions se tordent, se compriment et dilatent le flux d’air.
« La charge électrique se déplace de la même manière que l’air circule sur la surface d’une aile d’avion », a déclaré Gabor, professeur de physique et d’astronomie. « Bien qu’il soit facile d’imaginer le flux d’air en utilisant, par exemple, des flux de fumée ou de vapeur dans une soufflerie, comme on le voit souvent dans les publicités automobiles, il est beaucoup as well as difficile d’imaginer les lignes aérodynamiques des courants électriques. »
Gabor a déclaré que l’équipe avait combiné l’imagerie laser avec de nouveaux dispositifs sensibles à la lumière pour obtenir les premières visuals de lignes de photocourant through un dispositif fonctionnel. Un photocourant est un courant électrique induit par l’action de la lumière.
« Si vous savez remark les électrons circulent, vous pouvez alors savoir comment éviter qu’ils ne provoquent des effets néfastes, tels que l’échauffement du circuit », a déclaré Gabor. « Grâce à notre procedure, vous pouvez désormais évaluer exactement où et comment les électrons circulent, ce qui nous donne un outil puissant pour visualiser, caractériser et mesurer le flux de charge dans les dispositifs optoélectroniques. »
Les résultats de l’étude apparaissent dans les Actes de l’Académie nationale des sciences.
Gabor a expliqué que lorsque les électrons gagnent de l’énergie cinétique, ils se réchauffent. A terme, ils chauffent les matériaux qui les entourent, comme les fils qui peuvent risquer de fondre.
« Si vous rencontrez un pic de chaleur dans votre ordinateur, vos circuits commencent à mourir », a-t-il déclaré. « C’est pourquoi lorsque nos ordinateurs surchauffent, ils s’éteignent. C’est pour protéger les circuits qui pourraient être endommagés à lead to de toute la chaleur dissipée dans les métaux. »
L’équipe de Gabor a conçu les électrofoils en laboratoire sous la forme de petites ailes dans des dispositifs à l’échelle nanométrique qui font circuler les électrons autour d’eux, de la même manière que les molécules d’air circulent autour d’une aile d’avion.
« Nous voulions une forme qui puisse nous donner différentes vitesses de rotation, quelque chose avec une courbure continue on », a déclaré Gabor. « Nous nous sommes inspirés des ailes d’avion, qui ont une courbure progressive. Nous avons forcé le courant à circuler autour de l’électrofoil, qui offre différents angles de vol. Moreover l’angle est aigu, additionally la compression des lignes d’écoulement est importante. Dans de as well as en furthermore de matériaux, nous commençons à découvrir que les électrons se comportent comme des liquides. Ainsi, plutôt que de concevoir des dispositifs basés, par exemple, sur la résistance électrique, nous pouvons adopter une approche en pensant à la plomberie et concevoir des pipelines dans lesquels les électrons peuvent circuler.
Dans leurs expériences, Gabor et ses collègues ont utilisé une méthode de microscopie qui utilise un champ magnétique rotatif uniforme pour imager les lignes de photocourant à travers des dispositifs ultra-minces constitués d’une couche de platine sur du grenat d’yttrium et de fer, ou YIG. Le YIG est un isolant mais permet un effet de champ magnétique lorsqu’une fantastic couche de platine y est collée.
« L’effet du champ magnétique n’apparaît qu’à l’interface de ce cristal de grenat et du platine », a déclaré Gabor. « Si vous pouvez contrôler le champ magnétique, vous contrôlez le courant. »
Pour générer un photocourant dans une path souhaitée, les chercheurs ont dirigé un faisceau laser sur YIG, le laser servant de source de chaleur locale. Un effet connu sous le nom d’« effet photograph-Nernst » génère le photocourant dont la way est contrôlée par le champ magnétique externe.
« L’imagerie directe permettant de suivre les flux de photocourant dans les dispositifs optoélectroniques quantiques reste un défi majeur dans la compréhension du comportement des dispositifs exotiques », a déclaré Gabor. « Nos expériences montrent que la microscopie rationalisée à photocourant est un nouvel outil expérimental robuste pour visualiser un photocourant dans les matériaux quantiques. Cet outil nous aide à observer le mauvais comportement des électrons. »
Gabor a expliqué qu’il est bien connu que les électrons se comportent de « manières étranges » dans des problems spécifiques, en particulier dans de très petits appareils.
« Notre approach peut désormais être utilisée pour mieux les étudier », a-t-il déclaré. « Si j’essayais de concevoir un circuit intégré et que je voulais savoir d’où la chaleur pourrait provenir de celui-ci, je voudrais savoir où les lignes de flux de courant sont comprimées. Notre strategy peut aider à concevoir des circuits et à estimer ce qu’il faut éviter et vous suggère de le faire. « Ils ne doivent pas avoir de courbures prononcées dans vos fils. Les fils doivent être progressivement courbés. Mais ce n’est pas l’état de la strategy à l’heure actuelle. »
Gabor a été rejoint dans l’étude par David Mayes, Farima Farahmand, Maxwell Grossnickle, Mark Lohmann, Mohammed Aldosary, Junxue Li, Vivek Aji et Jing Shi de l’UCR, et Justin CW Track de l’Université technologique de Nanyang, à Singapour. Le laboratoire de Shi à l’UCR est l’un des meilleurs au monde pour fabriquer du YIG.
La recherche a été financée par un prix présidentiel de début de carrière pour les scientifiques et les ingénieurs (PECASE) par l’intermédiaire du Bureau de la recherche scientifique de l’Armée de l’Air, de la Countrywide Science Basis, de la Division électronique du Bureau de recherche de l’Armée et du Département américain de l’Énergie.
