In uno sviluppo che suona come un trucco da festa di fisica ma che in realtà è una scoperta fondamentale, i ricercatori della UCLA Samueli School of Engineering hanno dimostrato che il calore può essere incanalato attraverso materiali solidi in percorsi concentrati a forma di raggio a temperatura ambiente - un fenomeno precedentemente osservato solo a temperature criogeniche, dove le cose si comportano bene e non causano così tanti problemi.

Pubblicato su Nature Physics, lo studio guidato da Yongjie Hu, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale, ha osservato questo cosiddetto focusing fononico nell'arseniuro di boro, un semiconduttore cristallino che a quanto pare ha migliori maniere termiche della maggior parte. I fononi - le vibrazioni atomiche che trasportano calore e mostrano comportamento quantistico - tipicamente si disperdono in tutte le direzioni a temperatura ambiente, diffondendo il calore in modo uniforme come un ospite educato ma inefficiente. Ma nell'arseniuro di boro, viaggiano in percorsi coerenti basati su onde, seguendo rotte dettate dalla struttura cristallina, proprio come la luce attraverso una fibra ottica. Ciò significa che gli ingegneri potrebbero potenzialmente dirigere il calore lungo percorsi nanometrici pianificati invece di aspettare che si diffonda e poi cercare di rimuoverlo con ventole e dissipatori.

Il team ha sviluppato una tecnica di mappatura della temperatura su scala nanometrica e ha osservato che mentre i materiali convenzionali diffondono il calore in noiosi motivi circolari, l'arseniuro di boro produceva distinti motivi a raggio allineati con specifiche direzioni cristalline. I motivi cambiavano prevedibilmente con l'orientamento del cristallo, producendo motivi di focalizzazione a sei, otto e quattro pieghe a seconda del piano cristallino. Questo comportamento quantistico persisteva su distanze di un micrometro e poteva estendersi per decine di micrometri - spazio più che sufficiente per i moderni dispositivi elettronici, fotonici e quantistici.

"Questa è un'osservazione fondamentale che ci permette di pensare alla gestione termica in un modo nuovo", ha detto Hu, che è anche membro del California NanoSystems Institute alla UCLA. "Permettendo al calore di essere guidato, focalizzato e ridistribuito con precisione nanometrica a temperatura ambiente, la scoperta stabilisce una base per l'ingegneria termica quantistica." Perché a quanto pare, ora abbiamo l'ingegneria termica quantistica, e sta per diventare una cosa.

La capacità di controllare il calore a livello atomico potrebbe aiutare ad affrontare i problemi di surriscaldamento nell'hardware dell'IA, nella microelettronica, nei sistemi aerospaziali e in altri dispositivi elettronici - perché, come chiunque abbia toccato un laptop dopo una videochiamata sa, il surriscaldamento è un vero rompiscatole. Potrebbe anche permettere di regolare come i fononi interagiscono con gli elettroni, potenzialmente avanzando i sistemi di informazione quantistica e le tecnologie di rilevamento.

Osservazioni precedenti del focusing fononico erano per lo più limitate a temperature di pochi gradi sopra lo zero assoluto, dove i fononi possono viaggiare per lunghe distanze senza disperdersi. A temperatura ambiente, normalmente si disperdono più frequentemente e perdono coerenza, causando la diffusione del calore tramite diffusione ordinaria. Ma l'arseniuro di boro sperimenta una dispersione fononica insolitamente debole, permettendo al trasporto basato su onde di sopravvivere a temperatura ambiente. I motivi di calore osservati corrispondevano strettamente ai calcoli teorici, confermando che i fononi nel materiale viaggiano per distanze insolitamente lunghe prima di disperdersi - una ragione chiave per cui il comportamento ondulatorio persiste.

Questo lavoro si basa sulla precedente scoperta dell'arseniuro di boro da parte di Hu nel 2018, e il suo gruppo ha da allora sviluppato interfacce termiche ad alte prestazioni e dispositivi in nitruro di gallio usando l'arseniuro di boro per il raffreddamento, sottolineando il potenziale del materiale per i semiconduttori di prossima generazione. Gli altri autori dello studio includono Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su e Huu Duy Nguyen, tutti attuali o ex studenti laureati nel laboratorio H di Hu. Il finanziamento è arrivato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, dalla National Science Foundation, dal National Institute of General Medical Sciences e da un dono di Parag e Falguni Patel. Le risorse computazionali sono state fornite dall'UCLA Institute for Digital Research and Education e da Bridges 2 al Pittsburgh Supercomputing Center.

Quindi, la prossima volta che il tuo laptop diventa bollente, ricorda: la soluzione potrebbe essere un cristallo di arseniuro di boro, non un nuovo sistema di raffreddamento. Ma non trattenere il respiro: la tecnologia è ancora in laboratorio, e la tua frustrazione per il surriscaldamento è ancora valida.