In einer Entwicklung, die sich wie ein Physik-Party-Trick anhört, aber tatsächlich ein fundamentaler Durchbruch ist, haben Forscher der UCLA Samueli School of Engineering gezeigt, dass Wärme durch feste Materialien in konzentrierten, strahlenförmigen Bahnen bei Zimmertemperatur kanalisiert werden kann – ein Phänomen, das zuvor nur bei kryogenen Temperaturen beobachtet wurde, wo sich Dinge brav verhalten und nicht so viel Ärger machen.

Veröffentlicht in Nature Physics, beobachtete die von Yongjie Hu, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, geleitete Studie dieses sogenannte Phononen-Fokussieren in Borarsenid, einem kristallinen Halbleiter, der offenbar bessere thermische Manieren hat als die meisten. Phononen – die atomaren Schwingungen, die Wärme transportieren und Quantenverhalten zeigen – streuen normalerweise bei Zimmertemperatur in alle Richtungen und verteilen Wärme gleichmäßig wie ein höflicher, aber ineffizienter Gastgeber. Aber in Borarsenid bewegen sie sich in kohärenten, wellenbasierten Pfaden, die von der Kristallstruktur vorgegeben werden, ähnlich wie Licht durch eine Glasfaser. Das bedeutet, dass Ingenieure Wärme möglicherweise entlang geplanter nanoskaliger Routen lenken könnten, anstatt zu warten, bis sie sich ausbreitet, und dann zu versuchen, sie mit Lüftern und Kühlkörpern abzuwischen.

Das Team entwickelte eine nanoskalige Temperaturkartierungstechnik und beobachtete, dass konventionelle Materialien Wärme in langweiligen kreisförmigen Mustern verteilen, während Borarsenid deutliche strahlenförmige Muster erzeugte, die mit bestimmten Kristallrichtungen ausgerichtet waren. Die Muster verschoben sich vorhersehbar mit der Kristallorientierung und ergaben je nach Kristallebene sechsfache, achtfache und vierfache Fokussierungsmuster. Dieses Quantenverhalten erstreckte sich über Entfernungen von einem Mikrometer und könnte sich auf zehn Mikrometer ausdehnen – genug Platz für moderne elektronische, photonische und Quantengeräte.

„Dies ist eine grundlegende Beobachtung, die es uns ermöglicht, über Wärmemanagement auf neue Weise nachzudenken“, sagte Hu, der auch Mitglied des California NanoSystems Institute an der UCLA ist. „Indem wir Wärme mit nanoskaliger Präzision bei Zimmertemperatur leiten, fokussieren und umverteilen können, legt die Entdeckung ein Fundament für quantenthermisches Engineering.“ Denn anscheinend haben wir jetzt quantenthermisches Engineering, und es wird gerade zum Ding.

Die Fähigkeit, Wärme auf atomarer Ebene zu kontrollieren, könnte helfen, Überhitzungsprobleme in KI-Hardware, Mikroelektronik, Luft- und Raumfahrtsystemen und anderen Elektroniken zu lösen – denn, wie jeder weiß, der nach einem Videoanruf ein Laptop berührt hat, ist Überhitzung ein echter Stimmungskiller. Es könnte auch ermöglichen, die Wechselwirkung von Phononen mit Elektronen abzustimmen, was möglicherweise Quanteninformationssysteme und Sensortechnologien voranbringt.

Frühere Beobachtungen von Phononen-Fokussierung waren meist auf Temperaturen wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt beschränkt, wo Phononen lange Strecken ohne Streuung zurücklegen können. Bei Zimmertemperatur streuen sie normalerweise häufiger und verlieren Kohärenz, wodurch Wärme durch gewöhnliche Diffusion verteilt wird. Aber Borarsenid erfährt ungewöhnlich schwache Phononenstreuung, sodass wellenbasiertes Verhalten bei Zimmertemperatur überlebt. Die beobachteten Wärmemuster stimmten eng mit theoretischen Berechnungen überein, was bestätigt, dass Phononen in dem Material ungewöhnlich lange Strecken zurücklegen, bevor sie streuen – ein Schlüsselgrund, warum das Wellenverhalten bestehen bleibt.

Diese Arbeit baut auf Hus früherer Entdeckung von Borarsenid im Jahr 2018 auf, und seine Gruppe hat seitdem Hochleistungs-Wärmeschnittstellen und Galliumnitrid-Bauelemente mit Borarsenid zur Kühlung entwickelt, was das Potenzial des Materials für Halbleiter der nächsten Generation unterstreicht. Weitere Autoren der Studie sind Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su und Huu Duy Nguyen, alle aktuelle oder ehemalige Doktoranden in Hus H-Labor. Die Finanzierung kam vom US-Energieministerium, der National Science Foundation, dem National Institute of General Medical Sciences und einem Geschenk von Parag und Falguni Patel. Rechenressourcen wurden vom UCLA Institute for Digital Research and Education und von Bridges 2 am Pittsburgh Supercomputing Center bereitgestellt.

Also, beim nächsten Mal, wenn Ihr Laptop überhitzt, denken Sie daran: Die Lösung könnte in einem Kristall liegen, der Wärme wie Licht lenkt – bei Zimmertemperatur, natürlich.