Rakendusteadlaste jaoks on võimsamate protsessorite arendamisel üha olulisemaks probleemiks dissipatsioonsoojuse eemaldamine. Selleks aga on vaja teada, kuidas soojus läbi kristallstruktuuriga materjalide, näiteks räni, liigub.
Pilt arvutisimulatsioonist näitab kristallvõres levivaid erivärvilisi foononeid. Võresse on torgatud augud, mille vahekaugus on häälestatud selliselt, et see tõkestaks teatud lainepikkusega foononite levikut.
Soojus levib, nagu ka heli, aatomite või molekulide vibratsiooni abil. Heli levib madalatel sagedustel, soojus aga kõrgematel. Olenemata sagedusest on kvantmehaanika seaduste kohaselt määratud vähim võimalik võnkumiste energia. Suurem soojusenergia hulk on seega kvantiseeritud elementaarenergia hulga ehk kvandi kordarv. Füüsikud nimetavad elementaarselt väikseid võnkumisi foononiteks. Võib öelda, et foonon on virtuaalne soojusosake.
„Kristallisisese heli ja soojuse leviku kirjeldamiseks on foononid iseäranis olulised,“ selgitas Phys.org intervjuus MIT (Massacusetts Institute of Technology) mehhaanikaprofessor Gang Chen. Kristalli aatomid on korrastatud perioodilisse võrestruktuuri. Soojuse levikul võnguvad kristallisisesed aatomid kindlate sagedustega. „Võreaatomite vahelised sidemed on nagu vedrud,“ piltlikustas Chen. Kui üht aatomit tõmmata või tõugata, siis saadab see naaberaatomite suunas teele laine ehk foononi.
Praktikas on enamikes materjalides foononite soojusliiklus kaootiline. Eri sagedustega ja erinevates suundades liikuvad foononid on omavahel superpositsioonis nagu näiliselt kaootiline laineline veepind. Teoorias on võimalik ka merepinna lainetus lahti võtta üksikuteks laineteks, millel on erinev liikumissuund, amplituud ja sagedus.
Elektromagnetlainete kirjeldamisel on vähimaks energeetiliseks ühikuks samuti kvant, mida nimetatakse aga footoniks. Footonid interakteeruvad üksteisega vaid siis, kui neil on sama lainepikkus, näiteks interferentsi puhul. Vastasel juhul on elektromagnetkvandid superpositsioonis ja väljuvad kohtumistest muutumatuna. Ent foononid interakteeruvad ka erineva lainepikkusega foononitega. See teeb nende liikumise palju kaootilisemaks ning seega ka raskemini jälgitavaks ja juhtitavaks.
„Nii footonid kui foononid saavad kindla sageduse juures omada vaid kindlat elementaarühiku kordset energiat,“ ütles Chen. Rakendusfüüsikas ja materjaliteaduses on foononite kaasamine teooriasse osutunud iseäranis kasulikuks.
Arvutikiipidelt soojuse paremaks eraldamiseks tuleb seega tegeleda foononite juhtimisega. Termoelektriliste seadmete puhul, mis muudavad tahkise kontaktpindade temperatuurierinevuse elektromotoorjõuks, on seevastu oluline arendada materjale, mis juhivad hästi elektrit, aga samas takistavad soojusfoononite liikumist. „Mõningatel juhtudel on vaja tugevat foononite voogu, mõningatel juhtudel jällegi on nende liikumist vaja takistada,“ ütles Chen lõpetuseks.
Allikas: Phys.org
Leave a Reply