Diodo termico: l’era dei circuiti a calore

Un gruppo di ricercatori dell’Istituto di nanoscienze del Consiglio Nazionale delle Ricerche (Cnr-Nano) di Pisa, in collaborazione con la Scuola Normale Superiore, ha realizzato un diodo termico. Si tratta di un dispositivo in cui il calore fluisce in una direzione ma non in quella opposta.

Da tempo i ricercatori sono alle prese con lo studio della possibilità di controllare il calore come si controlla la corrente elettrica. Ad esempio, si potrebbe immaginare un computer costituito da un materiale in grado di trasmettere calore dall’interno verso l’esterno e di bloccarlo nel verso opposto, permettendo al sistema di raffreddarsi con estrema efficienza. 

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Con questo dispositivo, a basse temperature e basato su metalli e superconduttori, si è riusciti ad ottenere un simile effetto. Gli autori del progetto sono Francesco Giazotto, Maria José Martìnez-Pérez e Antonio Fornieri dei laboratori Nest di CnrNano e Normale. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnology.

A temperature prossime allo zero assoluto, circa -273°C, il calore è trasmesso principalmente dagli elettroni anziché dalle vibrazioni del reticolo cristallino e quindi ‘governando’ gli elettroni si può controllare il flusso di calore, -spiega Giazotto-. È quanto siamo riusciti a fare nel nostro circuito, in cui le correnti di calore scorrono preferenzialmente in un verso, ottenendo così un diodo termico, così chiamato in analogia al diodo elettrico dove la corrente viaggia ‘a senso unico’.

Il cuore del diodo, come si legge sul sito del CNR è composto da un elettrodo di materiale superconduttore combinato con un metallo che agisce come ‘via di fuga’ termica.

A temperature criogeniche, il dispositivo trasmette calore quando una delle sue estremità viene scaldata, mentre disperde la maggior parte dell’energia termica attraverso la via di fuga quando è scaldato l’estremo opposto -continua il ricercatore di CnrNano- Le misure mostrano che la corrente in un senso è 100 volte superiore a quella che fluisce in senso opposto: un’efficienza elevata, considerato che fino ad oggi il valore massimo era circa 1.4, ottenuto in sistemi di altro tipo a temperature maggiori.

Il risultato si aggiunge ai precedenti ottenuti dal gruppo di ‘Caloritronica coerente’ guidato da Giazotto, che conclude:

Il diodo termico è il primo mattone per creare circuiti caloritronici, l’equivalente termico dei circuiti logici elettronici, in cui l’informazione viene scambiata attraverso trasferimenti di calore invece che da segnali elettrici.