En un desarrollo que suena a truco de fiesta de física pero que en realidad es un avance fundamental, investigadores de la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA han demostrado que el calor puede ser canalizado a través de materiales sólidos en trayectorias concentradas y en forma de rayos a temperatura ambiente, un fenómeno que antes solo se observaba a temperaturas criogénicas, donde las cosas se comportan bien y no causan tantos problemas.
Publicado en Nature Physics, el estudio dirigido por Yongjie Hu, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial, observó este llamado enfoque de fonones en arseniuro de boro, un semiconductor cristalino que aparentemente tiene mejores modales térmicos que la mayoría. Los fonones, las vibraciones atómicas que transportan calor y exhiben comportamiento cuántico, normalmente se dispersan en todas direcciones a temperatura ambiente, esparciendo el calor de manera uniforme como un anfitrión educado pero ineficiente. Pero en el arseniuro de boro, viajan en trayectorias coherentes basadas en ondas, siguiendo rutas dictadas por la estructura cristalina, muy parecido a la luz a través de una fibra óptica. Esto significa que los ingenieros podrían potencialmente dirigir el calor a lo largo de rutas nanométricas planificadas en lugar de esperar a que se extienda y luego intentar eliminarlo con ventiladores y disipadores de calor.
El equipo desarrolló una técnica de mapeo de temperatura a nanoescala y observó que, mientras que los materiales convencionales extienden el calor en patrones circulares aburridos, el arseniuro de boro producía patrones distintivos en forma de rayos alineados con direcciones cristalinas específicas. Los patrones cambiaban de manera predecible con la orientación del cristal, produciendo patrones de enfoque de seis, ocho y cuatro veces dependiendo del plano cristalino. Este comportamiento cuántico persistía a distancias de un micrómetro y podía extenderse decenas de micrómetros, espacio de sobra para dispositivos electrónicos, fotónicos y cuánticos modernos.
"Esta es una observación fundamental que nos permite pensar en la gestión térmica de una manera nueva", dijo Hu, quien también es miembro del Instituto de Sistemas Nano de California en UCLA. "Al permitir que el calor sea guiado, enfocado y redistribuido con precisión nanométrica a temperatura ambiente, el descubrimiento establece una base para la ingeniería térmica cuántica". Porque aparentemente, ahora tenemos ingeniería térmica cuántica, y está a punto de convertirse en algo.
La capacidad de controlar el calor a nivel atómico podría ayudar a abordar los problemas de sobrecalentamiento en hardware de IA, microelectrónica, sistemas aeroespaciales y otros dispositivos electrónicos, porque, como cualquiera que haya tocado un portátil después de una videollamada sabe, el sobrecalentamiento es un verdadero aguafiestas. También podría permitir ajustar cómo interactúan los fonones con los electrones, potencialmente avanzando en sistemas de información cuántica y tecnologías de detección.
Las observaciones previas del enfoque de fonones se limitaban principalmente a temperaturas de unos pocos grados por encima del cero absoluto, donde los fonones pueden viajar largas distancias sin dispersarse. A temperatura ambiente, normalmente se dispersan con más frecuencia y pierden coherencia, haciendo que el calor se extienda mediante difusión ordinaria. Pero el arseniuro de boro experimenta una dispersión de fonones inusualmente débil, lo que permite que el transporte basado en ondas sobreviva a temperatura ambiente. Los patrones de calor observados coincidían estrechamente con los cálculos teóricos, confirmando que los fonones en el material viajan distancias inusualmente largas antes de dispersarse, una razón clave por la que el comportamiento ondulatorio persiste.
Este trabajo se basa en el descubrimiento anterior de Hu del arseniuro de boro en 2018, y su grupo ha desarrollado desde entonces interfaces térmicas de alto rendimiento y dispositivos de nitruro de galio utilizando arseniuro de boro para refrigeración, lo que subraya el potencial del material para semiconductores de próxima generación. Los otros autores del estudio incluyen a Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su y Huu Duy Nguyen, todos estudiantes actuales o antiguos del laboratorio H de Hu. La financiación provino del Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias, el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales y un regalo de Parag y Falguni Patel. Los recursos computacionales fueron proporcionados por el Instituto de Investigación y Educación Digital de UCLA y por Bridges 2 en el Centro de Supercomputación de Pittsburgh.
Así que, la próxima vez que tu portátil se caliente, recuerda: la solución podría ser un cristal que guíe el calor como un rayo láser, porque por supuesto que sí.