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Cómo los transistores térmicos podrían controlar los dispositivos MEM
En los últimos años, los ingenieros han comenzado a diseñar y probar transistores térmicos con cierto éxito. Su objetivo es ejercer el mismo control sobre el calor que ya tienen sobre la corriente eléctrica: la capacidad de encenderlo y apagarlo, modularlo e incluso amplificarlo.
Eso sería muy útil para gestionar la disipación de calor, pero también para crear puertas lógicas térmicas que puedan procesar información en forma de calor.
Los transistores térmicos construidos hasta ahora funcionan modulando el flujo de fonones, o vibraciones térmicas, de un material a otro. Para que esto funcione, los materiales deben estar en contacto físico entre sí.
Pero hay otra forma de que fluya el calor: mediante transferencia radiativa. En este caso, el calor fluye con el paso de fotones térmicos de un material a otro. En este caso, los materiales no necesitan estar en contacto físico.
Philippe Ben-Abdallah de la Université Paris-Sud en Francia y Svend-Age Biehs de la Carl von Ossietzky Universität en Alemania presentan hoy el primer transistor térmico que funciona con fotones térmicos. La gran ventaja de este dispositivo es que funciona a una velocidad mucho mayor que los transistores de fonón, potencialmente a la velocidad de la luz.
El diseño es sencillo. El transistor consta de tres partes, que Ben-Abdallah y Biehs denominan fuente, drenaje y compuerta, en analogía a un transistor convencional. La fuente y el drenaje están hechos de sílice y se mantienen a diferentes temperaturas para crear un gradiente de temperatura.
La fuente, que está más caliente que el drenaje, emite fotones térmicos que transfieren calor al drenaje.
Sin embargo, estos materiales están separados por una fina capa de óxido de vanadio, que actúa como puerta. Cada una de estas tres capas también están separadas entre sí por un espacio de alrededor de 50 nanómetros para garantizar que la transferencia de calor sea solo por radiación.
El óxido de vanadio tiene la interesante propiedad de que pasa de ser un conductor de fotones a un aislante cuando se enfría. (La temperatura crítica a la que esto ocurre se llama temperatura de transición de Mott).
El truco detrás del transistor de Ben-Abdallah y Biehs es mantener la capa de óxido de vanadio cerca de su temperatura de transición. Cuando el material actúa como aislante, los fotones térmicos no pueden pasar y el transistor se comporta como un interruptor que está apagado.
Pero al elevar la temperatura del óxido de vanadio por encima de su punto de transición, el transistor se enciende y comienza a conducir fotones térmicos. Entonces, un pequeño cambio en la temperatura de la puerta conduce a un cambio dramático en el flujo de calor a través del dispositivo. ¡Voila, un transistor térmico!
Esa es una idea inteligente que Ben-Abdallah y Biehs se han convertido en un dispositivo funcional que prueban en su artículo. Muestran cómo usar este transistor para modular el flujo de calor, para encender y apagar el flujo e incluso para amplificar el flujo, al igual que un transistor electrónico ordinario.
Este tipo de trabajo podría tener importantes aplicaciones. Ben-Abdallah y Biehs hablan sobre puertas lógicas térmicas y memorias térmicas para el almacenamiento y procesamiento de información térmica. Y dicen que estos dispositivos deberían tener algunas propiedades atractivas. El presente concepto autoriza velocidades operativas mucho más altas (velocidad de la luz) y debería ser muy competitivo en comparación con los anteriores, dicen.
Pero también hay otros usos, como en máquinas microelectromecánicas donde el calor se puede utilizar para mover dispositivos microscópicos como voladizos. La posibilidad de activar y desactivar este movimiento mediante transistores térmicos es una idea con un gran potencial.
No está claro cuándo veremos este tipo de transistores en acción. Pero la tecnología ya está disponible, por lo que más temprano que tarde es una gran posibilidad.
Ref: arxiv.org/abs/1310.0002 : Transistor térmico de campo cercano