01.10.2020 - Universität Potsdam

¿Transporte de calor sin calefacción?

Electrones calientes - una forma muy especial de transporte de calor en los metales

Al calentar una capa de platino en escalas nanométricas, el calor puede ser transferido por electrones calientes a través de una capa de cobre a una capa de níquel sin calentar significativamente el cobre en el medio. Esta forma inusual de transporte de calor fue descubierta por un grupo de investigación en torno a Jan-Etienne Pudell y Matias Bargheer del Instituto de Física y Astronomía de la Universidad de Potsdam, el Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH, y la Universidad de Lorraine. Sus resultados se publicaron recientemente en la revista científica Advanced Functional Materials".

Fenómenos fascinantes pueden ocurrir con estructuras compuestas de metal muy delgadas en el rango de los nanómetros, como han descubierto ahora físicos de Alemania y Francia usando experimentos ultrarrápidos de rayos X. Observaron que una película de platino de sólo unas pocas capas atómicas de espesor transfiere calor a una película de níquel subyacente de espesor comparable. La película de níquel se calienta mucho más que la capa de cobre de 100 nanómetros de espesor que se encuentra en el medio, a través de la cual se conduce el calor. "Si revuelves la sopa caliente con una cuchara de metal, te sorprendería que la cuchara estuviera más caliente al final que en el medio" El físico Prof. Dr. Mathias Bargheer explica el fenómeno.

Los experimentos con láser muestran que al calentar el extremo delantero de la estructura, el entramado del extremo trasero se calienta mucho más rápida y eficientemente que la parte media a través de la cual se transporta el calor. En el momento en que la red de níquel se calienta al máximo, no ha entrado ningún calor significativo en la red de cobre. El transporte a través de la capa de cobre es llevado por electrones calientes, que vuelan hacia el níquel casi sin chocar con la red cristalina. Los electrones están mucho más fuertemente acoplados al movimiento de la red de níquel, por lo que mucha energía térmica se transfiere localmente a las vibraciones de la red.

Los hallazgos se obtuvieron con experimentos de difracción de rayos X ultrarrápidos. En estos experimentos se utilizan pulsos de rayos X muy cortos que combinan una resolución espacial a escala atómica con una resolución temporal en el rango de femtosegundos, lo que permite realizar mediciones directas de los cambios en la estructura de una red cristalina. A diferencia de los experimentos ópticos, los rayos X también pueden utilizarse para observar los procesos que tienen lugar bajo las capas metálicas reflectantes y para diferenciar los desarrollos en los componentes individuales de una pila de capas.

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