物理学のパーティートリックのように聞こえるが、実際には根本的なブレークスルーである発展として、UCLAサミュエリ工学部の研究者たちは、熱が固体材料を通して室温で集中した光線状の経路に導かれることを示した。これは、これまで極低温でのみ観察されていた現象であり、低温では物事は素直に振る舞い、あまり問題を起こさない。

Nature Physicsに掲載されたこの研究は、機械・航空宇宙工学の教授であるYongjie Huが主導し、ホウ化ヒ素という結晶性半導体でこのいわゆるフォノンフォーカシングを観察した。この材料は、ほとんどの材料よりも熱的なマナーが良いようだ。フォノン（熱を運び、量子力学的挙動を示す原子の振動）は、通常、室温ではあらゆる方向に散乱し、礼儀正しいが非効率なホストのように熱を均等に広げる。しかし、ホウ化ヒ素では、フォノンはコヒーレントな波として伝播し、結晶構造によって決まる経路に沿って進む。これは、光が光ファイバーを通るのと似ている。つまり、エンジニアは熱が広がるのを待ってファンやヒートシンクで取り除く代わりに、計画されたナノスケールの経路に熱を導くことができるかもしれない。

研究チームは、ナノスケールの温度マッピング技術を開発し、従来の材料では熱が退屈な円形パターンで広がるのに対し、ホウ化ヒ素では特定の結晶方向に沿った明確な光線状のパターンが生成されることを観察した。パターンは結晶方位に応じて予測可能に変化し、結晶面に応じて6回対称、8回対称、4回対称のフォーカシングパターンを示した。この量子力学的挙動は1マイクロメートルの距離にわたって持続し、数十マイクロメートルまで延長できる可能性があり、現代の電子、フォトニクス、量子デバイスにとって十分な余裕がある。

「これは、熱管理を新しい方法で考えることを可能にする根本的な観察です」と、UCLAのカリフォルニアナノシステム研究所のメンバーでもあるHu氏は述べた。「熱を室温でナノスケールの精度で導き、集束させ、再分配できるようにすることで、この発見は量子熱工学の基礎を確立します。」どうやら、私たちは今や量子熱工学を持っており、それは流行になるだろう。

原子レベルで熱を制御する能力は、AIハードウェア、マイクロエレクトロニクス、航空宇宙システム、その他の電子機器の過熱問題に対処するのに役立つだろう。ビデオ通話の後にラップトップに触れたことがある人なら誰でも知っているように、過熱は本当に厄介だからだ。また、フォノンと電子の相互作用を調整できる可能性もあり、量子情報システムやセンシング技術の進歩につながるかもしれない。

これまでのフォノンフォーカシングの観測は、主に絶対零度より数度高い温度に限られており、フォノンは散乱せずに長距離を伝播できた。室温では、通常、フォノンはより頻繁に散乱し、コヒーレンスを失い、熱は通常の拡散によって広がる。しかし、ホウ化ヒ素は異常に弱いフォノン散乱を示し、波としての伝播が室温でも生き残ることを可能にしている。観察された熱パターンは理論計算とよく一致しており、材料内のフォノンが散乱前に異常に長い距離を伝播することを確認しており、これが波の挙動が持続する主な理由である。

この研究は、Hu氏が2018年にホウ化ヒ素を発見した以前の研究に基づいており、彼のグループはその後、ホウ化ヒ素を使用した高性能熱インターフェースとガリウム窒化物デバイスを開発し、冷却用に使用している。これは、次世代半導体におけるこの材料の可能性を強調している。この研究の他の著者には、Hu氏のH Labの現在または元大学院生であるMan Li、Huan Wu、Zihao Qin、Chuanjin Su、Huu Duy Nguyenが含まれる。資金は、米国エネルギー省、国立科学財団、国立総合医科学研究所、およびParag and Falguni Patelからの寄付によって提供された。計算リソースは、UCLAデジタル研究教育研究所とピッツバーグスーパーコンピューティングセンターのBridges 2によって提供された。

だから、次にラップトップが熱くなったときは、それが単なる熱ではなく、量子熱工学の可能性を秘めた熱であることを思い出してほしい。