Primera medición del transporte de calor en circuitos nanométricos

Un equipo conformado por ingenieros de la Universidad de Michigan (EE UU), físicos de la Universidad de Constanza (Alemania) y el profesor Juan Carlos Cuevas de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), ha logrado medir, por primera vez, el transporte de calor en circuitos de tamaño atómico.

En concreto, los científicos han demostrado que en el caso de circuitos de tan solo un átomo la conducción de calor está 'cuantizada', es decir, que en estos circuitos el calor solo se transmite en unidades de una cantidad fundamental conocida como cuanto de calor.

Este descubrimiento, que acaba de ser publicado en la revista Science, establece los mecanismos básicos que gobiernan la conducción térmica en nanocircuitos metálicos, lo que abre la puerta a la investigación de nuevos fenómenos relacionados con el transporte de calor en una gran variedad de nanodispositivos.

En el trabajo, los científicos utilizaron un nuevo tipo de microscopio de efecto túnel que incorpora un calorímetro, el cual permite medir corrientes de calor con una resolución sin precedentes.

“Este microscopio permite fabricar hilos metálicos cuyas dimensiones pueden ser reducidas hasta tener tan solo un átomo en su parte más estrecha. Además, también permite medir simultáneamente las corrientes eléctrica y de calor”, explica Carlos Cuevas, profesor del Centro de Investigación de Física de la Materia Condensada (IFIMAC) de la UAM.

Fue gracias a esta herramienta que los investigadores pudieron observar cómo en un hilo metálico de un solo átomo –al contrario a lo que ocurre en circuitos macroscópicos–, el calor se transporta en unidades discretas de una cantidad fundamental conocida como cuanto de conductancia de calor.

“Este es un fenómeno puramente cuántico, que hemos observado por primera vez a temperatura ambiente. Y se debe al hecho de que los electrones, responsables del transporte de calor en estos sistemas, se comportan en los dispositivos de tamaño atómico como ondas, en lugar de como partículas”, detalla Cuevas.

Confirmación de la ley de Wiedemann-Franz

En el trabajo los científicos también confirmaron que la ley fundamental de la física conocida como ley de Wiedemann-Franz –que se remonta a 1853 y relaciona la conducción de la electricidad y del calor en metales– es válida incluso en contactos metálicos de tan solo un átomo.

Las técnicas experimentales desarrolladas en esta investigación también harán posible estudiar el transporte de calor en nuevos sistemas, como circuitos moleculares, polímeros unidimensionales y moléculas biológicas como el ADN. Estos son sistemas en los que se han predicho nuevos fenómenos del transporte de calor, pero que hasta ahora no se han podido investigar experimentalmente.

El progreso en la miniaturización de dispositivos electrónicos hizo posible recientemente la fabricación de circuitos a escala nanométrica (un millón de veces más pequeños que un milímetro). Sin embargo, el futuro de la Nanoelectrónica depende de lograr comprender cómo se disipa y se transporta el calor en estos nuevos dispositivos.

Esto, por ejemplo, podría favorecer el desarrollo de nuevas tecnologías para la conversión de calor en energía útil, algo que sería trascendental para paliar el acuciante problema energético.

Por otra parte, los científicos esperan que la conducción de calor en nanocircuitos esté dominada por nuevos fenómenos cuánticos, lo que hace que su estudio tenga también un gran interés fundamental.

En las dos últimas décadas, avances en las técnicas de fabricación han hecho posible diseñar circuitos que en su parte más pequeña incluyen tan un solo átomo o una molécula, alcanzando así el límite último de la miniaturización.

De este modo se han podido estudiar en estos nanocircuitos nuevos fenómenos físicos relacionados con la conducción eléctrica. A pesar de ello, hasta el momento había sido imposible explorar la conducción de calor en estos dispositivos debido a la falta de herramientas experimentales.