في تطور يبدو كخدعة سحرية فيزيائية لكنه في الواقع إنجاز أساسي، أظهر باحثون في كلية سامويلي للهندسة بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس أن الحرارة يمكن توجيهها عبر المواد الصلبة في مسارات مركزة تشبه الأشعة في درجة حرارة الغرفة - وهي ظاهرة كانت تُلاحظ سابقًا فقط في درجات حرارة منخفضة جدًا، حيث تتصرف الأشياء بشكل لطيف ولا تسبب الكثير من المتاعب.

نُشرت الدراسة في مجلة Nature Physics، وقادها يونغجي هو، أستاذ الهندسة الميكانيكية والفضائية، ولاحظ فيها ما يسمى بتركيز الفونونات في بورون أرسينيد، وهو شبه موصل بلوري يبدو أن لديه أخلاقيات حرارية أفضل من معظم المواد. الفونونات - الاهتزازات الذرية التي تحمل الحرارة وتظهر سلوكًا كموميًا - عادةً ما تتبعثر في كل الاتجاهات في درجة حرارة الغرفة، مما ينشر الحرارة بالتساوي مثل مضيف مهذب لكنه غير فعال. لكن في بورون أرسينيد، تنتقل في مسارات متماسكة تشبه الموجات، متبعةً طرقًا يحددها التركيب البلوري، تمامًا مثل الضوء عبر الألياف البصرية. هذا يعني أن المهندسين يمكنهم توجيه الحرارة على طول مسارات نانومترية مخطط لها بدلاً من انتظار انتشارها ثم محاولة إزالتها بالمراوح والمشتتات الحرارية.

طور الفريق تقنية لرسم خرائط درجة الحرارة على المستوى النانوي ولاحظوا أنه بينما تنشر المواد التقليدية الحرارة في أنماط دائرية مملة، أنتج بورون أرسينيد أنماطًا مميزة تشبه الأشعة محاذية لاتجاهات بلورية محددة. تغيرت الأنماط بشكل متوقع مع اتجاه البلورة، مما أسفر عن أنماط تركيز سداسية وثمانية ورباعية اعتمادًا على المستوى البلوري. استمر هذا السلوك الكمومي عبر مسافات تصل إلى ميكرومتر واحد ويمكن أن يمتد إلى عشرات الميكرومترات - وهو متسع كبير للأجهزة الإلكترونية والفوتونية والكمومية الحديثة.

"هذه ملاحظة أساسية تمكننا من التفكير في الإدارة الحرارية بطريقة جديدة"، قال هو، وهو أيضًا عضو في معهد كاليفورنيا للأنظمة النانوية في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس. "من خلال تمكين توجيه الحرارة وتركيزها وإعادة توزيعها بدقة نانومترية في درجة حرارة الغرفة، يؤسس الاكتشاف أساسًا للهندسة الحرارية الكمومية." لأنه يبدو أن لدينا الآن هندسة حرارية كمومية، وهي على وشك أن تصبح شيئًا.

القدرة على التحكم في الحرارة على المستوى الذري يمكن أن تساعد في معالجة مشاكل ارتفاع الحرارة في أجهزة الذكاء الاصطناعي والإلكترونيات الدقيقة وأنظمة الطيران وغيرها من الأجهزة الإلكترونية - لأنه، كما يعلم أي شخص لمس جهاز كمبيوتر محمول بعد مكالمة فيديو، فإن ارتفاع الحرارة هو مزعج حقيقي. قد تسمح أيضًا بضبط كيفية تفاعل الفونونات مع الإلكترونات، مما قد يطور أنظمة المعلومات الكمومية وتقنيات الاستشعار.

الملاحظات السابقة لتركيز الفونونات كانت محدودة في الغالب بدرجات حرارة أعلى بقليل من الصفر المطلق، حيث يمكن للفونونات أن تنتقل لمسافات طويلة دون تبعثر. في درجة حرارة الغرفة، تتبعثر عادةً بشكل متكرر وتفقد التماسك، مما يتسبب في انتشار الحرارة عبر الانتشار العادي. لكن بورون أرسينيد يعاني من تبعثر فونونات ضعيف بشكل غير عادي، مما يسمح للنقل الموجي بالبقاء في درجة حرارة الغرفة. تطابقت أنماط الحرارة المرصودة بشكل وثيق مع الحسابات النظرية، مما يؤكد أن الفونونات في المادة تنتقل لمسافات طويلة بشكل غير عادي قبل التبعثر - وهو سبب رئيسي لاستمرار السلوك الموجي.

هذا العمل يبني على اكتشاف هو السابق لبورون أرسينيد في عام 2018، وقد طورت مجموعته منذ ذلك الحين واجهات حرارية عالية الأداء وأجهزة نتريد الغاليوم باستخدام بورون أرسينيد للتبريد، مما يؤكد إمكانات المادة لأشباه الموصلات من الجيل التالي. المؤلفون الآخرون للدراسة هم مان لي، هوان وو، زيهاو كين، تشوانجين سو، وهووي دوي نجوين، وكلهم طلاب دراسات عليا حاليون أو سابقون في مختبر H الخاص به. جاء التمويل من وزارة الطاقة الأمريكية، والمؤسسة الوطنية للعلوم، والمعهد الوطني للعلوم الطبية العامة، وهدية من باراج وفالغوني باتيل. تم توفير الموارد الحاسوبية من قبل معهد جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس للبحث والتعليم الرقمي ومن Bridges 2 في مركز بيتسبرغ للحوسبة الفائقة.

لذا، في المرة القادمة التي تشعر فيها بالحرارة المنبعثة من جهازك، تذكر أن العلم يعمل على توجيهها بدقة، وربما يومًا ما سنتمكن من تبريد أجهزتنا بأناقة.