ปรากฏการณ์แปลกใน “ท่อนาโน” อาจได้ซีพียูเร็วแต่ไม่ร้อน

ทีมนักวิทยาศาสตร์แมรี่แลนด์พบปรากฏการณ์แปลกในท่อคาร์บอนนาโน เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าให้วิ่งผ่าน พบวััสดุข้างๆ ร้อนแต่ท่อคาร์บอนยังคงเย็นอยู่ เหมือนเครื่องปิ้งขนมปังที่ตัวเครื่องไม่ร้อนแต่ทำให้ขนมปังเกรียมได้ เชื่อหากเข้าใจปรากฏการณ์ที่ไม่คาดคิดว่ามาก่อนนี้จะนำไปสู่การสร้างหน่วยประมวลผลคอมพิวเตอร์ที่ทำงานได้เร็วขึ้นแต่ไม่มีความร้อนส่วนเกิน

“นี่เป็นปรากฏการณ์ใหม่ที่เราสังเกตได้ในระดับนาโน ซึ่งมันขัดกับสำนึกและองค์ความรู้เกี่ยวกับการให้ความร้อนแบบจูล (Joule heating) ในสิ่งของที่มีขนาดใหญ่อย่างเครื่องปิ้งขนมปัง” กามาล บาลอช (Kamal Baloch) ผู้ดำเนินการวิจัยนี้ขณะเป็นนักศึกษาปริญญาตรีของมหาวิทยาลัยแมรี่แลนด์ (University of Maryland) กล่าว

ทั้งนี้ การให้ความร้อนแบบจูลนั้นเป็นการผ่านไฟฟ้าเข้าไปเนื้อวัสดุซึ่งปกติมีความต้านทานจึงทำให้เกิดความร้อนขึ้น และจากรายงานของ PhysOrg บาลอชบอกว่าอิเล็กตรอนของท่อนาโนเด้งจากบางอย่างที่ไม่ใช่อะตอมของท่อนาโน ซึ่งบางทีอาจจะเป็นอะตอมของวัสดุข้างเคียงอย่างตัวรองรับซิลิกอนไนไตรด์ (silicon nitride substrate) ซึ่งสั่นไหวและร้อนขึ้นแทน

ทางด้าน จอห์น คูมิงส์ (John Cumings) ผู้ช่วยศาสตราจารย์จากภาควิชาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ (Materials Science and Engineering) แห่งแมรีแลนด์ ผูู้ดูแลภาพรวมของการวิจัยดังกล่าวตลอดโครงการยอมรับว่า ผลที่ออกมานี้ค่อนข้างแปลก ซึ่งเขาและบาลอชได้ขนานนามปรากฏการณ์นี้ว่า “การให้ความแบบจูลระยะไกล” (remote Joule heating)

สิ่งที่นักวิจัยแมรีแลนด์ค้นพบนั้นก็คล้ายๆ กิจวัตรยามเช้าของหลายคนที่เริ่มมื้อเช้าด้วยการปิ้งขนมปัง ซึ่งแม้ขนมปังจะไหม้เกรียมแต่ด้านนอกของเครื่องปิ้งก็ไม่ร้อน หรือเตาแม่เหล็กไฟฟ้าที่เราเปิดไฟแรงสูงสุดเพื่อต้มน้ำร้อนแต่เตากลับไม่ร้อนเลย แน่นอนงานวิจัยของพวกเขาไม่ได้อยู่ในห้องครัว โดยบารอช คูมิงส์และคณะได้ทำการทดลองโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของสถาบันวิศวกรรมศาสตร์เอ เจมส์ คลาร์ก (A. James Clark School of Engineering) ในมหาวิทยาลัย

พวกเขาทำการวิจัยซ้ำแล้วซ้ำอีก และผลที่ได้ก็ยังคงเหมือนเดิม เมื่อทีมวิจัยส่งกระแสไฟฟ้าผ่านเข้าไปในท่อคาร์บอนนาโน ซึ่งตัวรองรับด้านล่างท่อนาโนก็ร้อนขึ้นพอที่จะละลายอนุภาคนาโนที่อยู่พื้นผิวตัวรองรับได้ แต่ท่อนาโนเองกลับยังคงเย็นอยู่ รวมถึงโลหะที่สัมผัสกับท่อนาโนด้วย

สำหรับผู้ที่ไม่ใช่นักวิทยาศาสตร์แล้วในแวบแรกที่เห็นการทดลองของพวกเขานั้นดูไม่แปลกประหลาดอะไรนัก เพราะอาหารที่ปรุงในเตาไมโครเวฟก็ร้อนโดยที่เตายังมีอุณหภูมิใกล้เคียงอุณหภูมิห้อง แต่ปัญหาก็คือ บาลอชและคูมิงส์ไม่ได้จงใจสร้างสนามไมโครเวฟ พวกเขาเพียงผ่านกระแสไฟฟ้าตรงเข้าสู่ท่อโนนาซึ่งมันควรร้อนขึ้นแต่ข้อมูลกลับบอกพวกเขาถึงสิ่งที่เกิดขึ้น คล้ายเครื่องปิ้งขนมปังทำให้ขนมปังไหม้ได้โดยตัวเครื่องไม่ร้อน

ด้วยปรากฏการณ์ที่รู้จักกันในชื่อ “การให้ความร้อนแบบจูล” บอกให้ทราบว่า กระแสไฟฟ้าจะเป็นสาเหตุให้อิเล็กตรอนที่กำลังเคลื่อนที่เด้งออกจากลวดโลหะแล้วทำให้สั่นอยู่ภายใน การสั่นดังกล่าวสร้างความร้อน และลวดนำไฟฟ้าใดๆ ก็ควรเกิดปรากฏการณ์เช่นเดียวกันนี้ ทั้งลวดให้ความร้อนในเครื่องปิ้งขนมปัง เครื่องเป่าผม และเตาทำอาหารไฟฟ้า ซึ่งเป็นที่รู้กันว่าท่อนาโนคาร์บอนสามารถนำไฟฟ้าได้เหมือนลวดโลหะนาโน ดังนั้นบาลอชและคูมิงส์จึงหวังที่จะเห็นผลลัพธ์เดียวกันเมื่อพวกเขาผ่านกระแสเข้าไปในท่อนาโนนี้

ทีมวิจัยใช้เทคนิคที่พัฒนาขึ้นในห้องปฏิบัติการของคูมิงส์ โดยใช้กล้องจุลทรรศน์เชิงความร้อนอิเล็กตรอน (Electron Thermal Microscopy) ซึ่งสร้างแผนที่ของตำแหน่งความร้อนที่ถูกสร้างขึ้นในวงจรไฟฟ้าระดับนาโน เพื่อจะสังเกตผลของกระแสที่มีต่อท่อนาโน พวกเขาคาดไว้ว่าจะเห็นความร้อนเดินทางตลอดความยาวของท่อนาโนไปจนถึงโลหะที่สัมผัสติดกัน แต่ดูเหมือนว่าความร้อนกระโดดตรงไปยังฐานรับซิลิกอนไนไตรด์ (silicon nitride) ที่อยู่ด้านล่าง ทำให้ฐานรองร้อนขึ้น แต่ปล่อยให้ท่อนาโนยังคงค่อนข้างเย็น

หากแต่อิเล็กตรอนของท่อนาโนจะไปสั่นอะตอมของตัวฐานรับได้อย่างไร เมื่ออิเล็กตรอนและอะตอมอยู่ห่างกันแม้จะวัดได้เป็นระยะแค่ระดับนาโนเมตร ซึ่งบาลอชและคูมิงส์สงสัยว่าจะมี “มือที่สาม” ที่เข้ามาเกี่ยวข้อง นั่นคือ สนามไฟฟ้า โดยพวกเขาเชื่อว่าอิเล็กตรอนของท่อนาโนได้สร้างสนามไฟฟ้าอันเนื่องมาจากกระแส และอะตอมของตัวรองรับก็ตอบสนองโดยตรงกับสนามนั้น

บาลอชเสริมว่าปรากฏการณ์การให้ความร้อนแบบจูลระยะไกลสามารถส่งผลในระยะยาวต่อเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ โดยปัจจุบันสิ่งที่จำกัดประสิทธิภาพของหน่วยประมวลผลในคอมพิวเตอร์ คือความร้อนส่วนเกินที่จำกัดความเร็วในการทำงานของหน่วยประมวลผล หากสามารถหาวิธีกำจัดความร้อนส่วนเกินออกไปได้อย่างมีประสิทธิภาพก็ทำให้หน่วยประมวลผลทำงานได้เร็วขึ้น

"ทรานซิสเตอร์ที่ไม่กระจายพลังงานภายในไปเป็นความร้อน เช่นเดียวกับท่อนาโนในงานทดลองของเรา จะสามารถพลิกเกมได้แน่นอน กลไกใหม่ของการส่งผ่านความร้อนนี้จะช่วยให้คุณออกแบบตัวนำความร้อนและตัวนำไฟฟ้าแยกกันได้ โดยการเลือกคุณสมบัติที่ดีที่สุดของแต่ละอันโดยไม่จำเป็นต้องรวมทั้งสองให้กลายเป็นวัสดุเดียวกันซึ่งจะทำให้มันแย่งบริเวณเดียวกันของพื้นที่” บาลอชกล่าว

อย่างไรก็ดี เราสังเกตปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นนี้ได้เฉพาะในระดับนาโนและวัสดุนาโน ซึ่งคูมิงส์กล่าวว่าก้าวต่อไปคือการตรวจสอบว่าวัสดุอื่นจะสามารถสร้างผลลัพธ์เดียวกันได้หรือไม่? และถ้าได้แล้วคุณสมบัติใดที่วัสดุนั้นควรมี? โดยตอนนี้เราทราบว่าซิลิกอนไนไตรด์สามารถดูดซับพลังงานจากท่อนาโนที่นำกระแสได้ในลักษณะเช่นนี้ แต่เรายังต้องการทดสอบวัสดุอื่น เช่น สารกึ่งตัวนำและฉนวนอื่นๆ และหากเราเข้าใจถึงวิธีการทำงานของปรากฏการณ์นี้ได้อย่างจริงจัง เราก็สามารถเริ่มต้นออกแบบอิเล็กทรอนิกส์นาโนยุคใหม่ที่มีการจัดการความร้อนแบบเบ็ดเสร็จด้วย

แปล: พลเดช อนันชัย ยุวทูตดาราศาสตร์
เรียบเรียง: ทีมข่าววิทยาศาสตร์ ASTV-ผู้จัดการออนไลน์