물리학 파티 트릭처럼 들리지만 실제로는 근본적인 돌파구인 이 개발에서, UCLA 사무엘리 공학부의 연구자들은 열이 고체 물질을 통해 실온에서 집중된 광선 모양의 경로로 전달될 수 있음을 보여주었다. 이는 이전에는 극저온에서만 관찰되었던 현상으로, 극저온에서는 물질들이 얌전하게 행동하고 별로 문제를 일으키지 않는다.

Nature Physics에 게재된 이 연구는 기계 및 항공우주공학 교수인 Yongjie Hu가 이끌었으며, 붕소 비소화물(boron arsenide)에서 이른바 포논 포커싱(phonon focusing)을 관찰했다. 붕소 비소화물은 대부분의 재료보다 열적 예의가 더 좋은 결정질 반도체다. 포논(phonon)은 열을 운반하고 양자 거동을 보이는 원자 진동으로, 일반적으로 실온에서는 사방으로 산란하여 열을 고르게 퍼뜨린다. 마치 예의 바르지만 비효율적인 주인처럼 말이다. 그러나 붕소 비소화물에서는 포논이 결정 구조에 의해 결정된 경로를 따라 광섬유를 통과하는 빛처럼 일관된 파동 기반 경로로 이동한다. 이는 엔지니어들이 열이 퍼진 다음 팬과 방열판으로 제거하려고 기다리는 대신, 열을 계획된 나노 규모 경로로 직접 유도할 수 있음을 의미한다.

연구팀은 나노 규모 온도 매핑 기술을 개발했으며, 기존 재료는 지루한 원형 패턴으로 열을 퍼뜨리는 반면, 붕소 비소화물은 특정 결정 방향과 정렬된 뚜렷한 광선 모양 패턴을 생성한다는 것을 관찰했다. 패턴은 결정 방향에 따라 예측 가능하게 변화하여 결정면에 따라 6중, 8중, 4중 포커싱 패턴을 나타냈다. 이 양자 거동은 1마이크로미터 거리에서 지속되었으며 수십 마이크로미터까지 확장될 수 있다. 이는 현대 전자, 광자, 양자 소자에 충분한 공간이다.

"이것은 열 관리를 새로운 방식으로 생각할 수 있게 해주는 근본적인 관찰입니다"라고 Hu는 말했다. 그는 UCLA 캘리포니아 나노시스템 연구소의 회원이기도 하다. "열을 실온에서 나노 규모 정밀도로 유도하고, 집중시키고, 재분배할 수 있게 함으로써, 이 발견은 양자 열 공학의 기초를 확립합니다." 이제 우리에게 양자 열 공학이 있으며, 그것이 곧 유행이 될 것 같다.

원자 수준에서 열을 제어하는 능력은 AI 하드웨어, 마이크로일렉트로닉스, 항공우주 시스템 및 기타 전자 제품의 과열 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있다. 비디오 통화 후 노트북을 만져본 사람이라면 누구나 알겠지만, 과열은 정말 골치 아픈 일이다. 또한 포논과 전자의 상호 작용을 조정하여 양자 정보 시스템과 센싱 기술을 발전시킬 수도 있다.

포논 포커싱에 대한 이전 관찰은 대부분 절대 영도보다 몇 도 높은 온도로 제한되었으며, 포논은 산란 없이 먼 거리를 이동할 수 있다. 실온에서는 일반적으로 더 자주 산란하고 일관성을 잃어 열이 일반적인 확산을 통해 퍼진다. 그러나 붕소 비소화물은 비정상적으로 약한 포논 산란을 경험하여 파동 기반 수송이 실온에서 생존할 수 있게 한다. 관찰된 열 패턴은 이론적 계산과 밀접하게 일치하여, 재료 내 포논이 산란 전에 비정상적으로 먼 거리를 이동한다는 것을 확인했다. 이는 파동 거동이 지속되는 핵심 이유다.

이 연구는 2018년 Hu의 붕소 비소화물 발견에 기반을 두고 있으며, 그의 그룹은 이후 냉각을 위해 붕소 비소화물을 사용하는 고성능 열 인터페이스와 갈륨 질화물 소자를 개발하여 차세대 반도체에서 이 재료의 잠재력을 강조했다. 연구의 다른 저자로는 Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su, Huu Duy Nguyen이 있으며, 모두 Hu의 H Lab의 현재 또는 이전 대학원생이다. 자금은 미국 에너지부, 국립과학재단, 국립 일반 의학 연구소, Parag 및 Falguni Patel의 기부에서 제공되었다. 컴퓨팅 자원은 UCLA 디지털 연구 및 교육 연구소와 피츠버그 슈퍼컴퓨팅 센터의 Bridges 2에서 제공되었다.

그러니 다음에 노트북이 뜨거워지면, 과학자들이 열을 빛처럼 유도하는 방법을 알아냈다는 사실을 기억하라. 물론 실온에서 말이다. 왜냐하면 그럴 수 있으니까.