एक ऐसे विकास में जो भौतिकी की पार्टी चाल की तरह लगता है लेकिन वास्तव में एक मौलिक सफलता है, यूसीएलए सैमुएली स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग के शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि गर्मी को कमरे के तापमान पर ठोस पदार्थों के माध्यम से केंद्रित, किरण के आकार के रास्तों में प्रवाहित किया जा सकता है - यह घटना पहले केवल क्रायोजेनिक तापमान पर देखी गई थी, जहां चीजें अच्छी तरह से व्यवहार करती हैं और ज्यादा परेशानी नहीं पैदा करती हैं।

नेचर फिजिक्स में प्रकाशित, यांत्रिक और एयरोस्पेस इंजीनियरिंग के प्रोफेसर योंगजी हू के नेतृत्व में किए गए अध्ययन में बोरॉन आर्सेनाइड में इस तथाकथित फोनन फोकसिंग देखी गई, जो एक क्रिस्टलीय अर्धचालक है जिसमें स्पष्ट रूप से अधिकांश की तुलना में बेहतर थर्मल शिष्टाचार हैं। फोनन - परमाणु कंपन जो गर्मी ले जाते हैं और क्वांटम व्यवहार प्रदर्शित करते हैं - आम तौर पर कमरे के तापमान पर हर तरह से बिखरते हैं, गर्मी को एक विनम्र लेकिन अक्षम मेजबान की तरह समान रूप से फैलाते हैं। लेकिन बोरॉन आर्सेनाइड में, वे सुसंगत, तरंग-आधारित पथों में यात्रा करते हैं, क्रिस्टल संरचना द्वारा निर्धारित मार्गों का अनुसरण करते हैं, जैसे प्रकाश ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से। इसका मतलब है कि इंजीनियर संभावित रूप से गर्मी को नियोजित नैनोस्केल मार्गों के साथ निर्देशित कर सकते हैं, बजाय इसके कि यह फैलने की प्रतीक्षा करें और फिर इसे पंखे और हीट सिंक से साफ करने का प्रयास करें।

टीम ने एक नैनोस्केल तापमान मानचित्रण तकनीक विकसित की और देखा कि जहां पारंपरिक सामग्री उबाऊ गोलाकार पैटर्न में गर्मी फैलाती है, बोरॉन आर्सेनाइड ने विशिष्ट क्रिस्टल दिशाओं के साथ संरेखित अलग किरण के आकार के पैटर्न उत्पन्न किए। क्रिस्टल अभिविन्यास के साथ पैटर्न पूर्वानुमानित रूप से बदल गए, जिससे क्रिस्टल विमान के आधार पर छह गुना, आठ गुना और चार गुना फोकसिंग पैटर्न प्राप्त हुए। यह क्वांटम व्यवहार एक माइक्रोमीटर की दूरी पर बना रहा और दसियों माइक्रोमीटर तक विस्तारित हो सकता है - आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक, फोटोनिक और क्वांटम उपकरणों के लिए पर्याप्त जगह।

"यह एक मौलिक अवलोकन है जो हमें थर्मल प्रबंधन के बारे में नए तरीके से सोचने में सक्षम बनाता है," हू ने कहा, जो यूसीएलए में कैलिफोर्निया नैनोसिस्टम्स इंस्टीट्यूट के सदस्य भी हैं। "कमरे के तापमान पर नैनोस्केल सटीकता के साथ गर्मी को निर्देशित, केंद्रित और पुनर्वितरित करने में सक्षम होने से, यह खोज क्वांटम थर्मल इंजीनियरिंग के लिए एक नींव स्थापित करती है।" क्योंकि, जाहिर है, अब हमारे पास क्वांटम थर्मल इंजीनियरिंग है, और यह एक चीज बनने जा रही है।

परमाणु स्तर पर गर्मी को नियंत्रित करने की क्षमता एआई हार्डवेयर, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स, एयरोस्पेस सिस्टम और अन्य इलेक्ट्रॉनिक्स में ओवरहीटिंग की समस्याओं को हल करने में मदद कर सकती है - क्योंकि, जैसा कि कोई भी जिसने वीडियो कॉल के बाद लैपटॉप को छुआ है, वह जानता है, ओवरहीटिंग एक वास्तविक बज़किल है। यह फोनन और इलेक्ट्रॉनों के बीच बातचीत को ट्यून करने की भी अनुमति दे सकता है, संभावित रूप से क्वांटम सूचना प्रणाली और सेंसिंग प्रौद्योगिकियों को आगे बढ़ा सकता है।

फोनन फोकसिंग की पिछली टिप्पणियां ज्यादातर पूर्ण शून्य से कुछ डिग्री ऊपर के तापमान तक सीमित थीं, जहां फोनन बिना बिखरे लंबी दूरी की यात्रा कर सकते हैं। कमरे के तापमान पर, वे आम तौर पर अधिक बार बिखरते हैं और सुसंगतता खो देते हैं, जिससे गर्मी सामान्य प्रसार के माध्यम से फैलती है। लेकिन बोरॉन आर्सेनाइड असामान्य रूप से कमजोर फोनन बिखरने का अनुभव करता है, जिससे तरंग-आधारित परिवहन कमरे के तापमान पर जीवित रहता है। देखे गए गर्मी पैटर्न सैद्धांतिक गणनाओं से निकटता से मेल खाते हैं, यह पुष्टि करते हुए कि सामग्री में फोनन बिखरने से पहले असामान्य रूप से लंबी दूरी की यात्रा करते हैं - एक प्रमुख कारण है कि तरंग व्यवहार बना रहता है।

यह काम हू की 2018 में बोरॉन आर्सेनाइड की पहले की खोज पर आधारित है, और उनके समूह ने तब से बोरॉन आर्सेनाइड का उपयोग करके उच्च प्रदर्शन वाले थर्मल इंटरफेस और गैलियम नाइट्राइड उपकरणों को शीतलन के लिए विकसित किया है, जो अगली पीढ़ी के अर्धचालकों के लिए सामग्री की क्षमता को रेखांकित करता है। अध्ययन के अन्य लेखकों में मैन ली, हुआन वू, ज़िहाओ किन, चुआनजिन सु और हुउ डुय गुयेन शामिल हैं, जो सभी हू के एच लैब में वर्तमान या पूर्व स्नातक छात्र हैं। धन अमेरिकी ऊर्जा विभाग, राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन, राष्ट्रीय सामान्य चिकित्सा विज्ञान संस्थान और पराग और फाल्गुनी पटेल से एक उपहार से आया था। कम्प्यूटेशनल संसाधन यूसीएलए इंस्टीट्यूट फॉर डिजिटल रिसर्च एंड एजुकेशन और पिट्सबर्ग सुपरकंप्यूटिंग सेंटर में ब्रिजेस 2 द्वारा प्रदान किए गए थे।