In een ontwikkeling die klinkt als een natuurkundige feesttruc maar eigenlijk een fundamentele doorbraak is, hebben onderzoekers van de UCLA Samueli School of Engineering aangetoond dat warmte door vaste materialen kan worden gekanaliseerd in geconcentreerde, straalvormige paden bij kamertemperatuur - een fenomeen dat eerder alleen werd waargenomen bij cryogene temperaturen, waar dingen zich netjes gedragen en niet zoveel problemen veroorzaken.

Gepubliceerd in Nature Physics, observeerde de studie onder leiding van Yongjie Hu, hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek, deze zogenaamde fonon-focusing in boorarsenide, een kristallijne halfgeleider die blijkbaar betere thermische manieren heeft dan de meeste. Fononen - de atomaire trillingen die warmte dragen en kwantumgedrag vertonen - verstrooien normaal gesproken alle kanten op bij kamertemperatuur, waardoor warmte gelijkmatig wordt verspreid als een beleefde maar inefficiënte gastheer. Maar in boorarsenide reizen ze in coherente, golfachtige paden, volgens routes die worden bepaald door de kristalstructuur, net zoals licht door een optische vezel. Dit betekent dat ingenieurs mogelijk warmte langs geplande nanogestructureerde routes kunnen leiden in plaats van te wachten tot het zich verspreidt en het vervolgens te proberen weg te schrobben met ventilatoren en koellichamen.

Het team ontwikkelde een nanogestructureerde temperatuurmeettechniek en observeerde dat conventionele materialen warmte verspreiden in saaie cirkelvormige patronen, terwijl boorarsenide duidelijke straalvormige patronen produceerde die zijn uitgelijnd met specifieke kristalrichtingen. De patronen verschilden voorspelbaar met de kristaloriëntatie, wat zes-, acht- en viervoudige focuspatronen opleverde, afhankelijk van het kristalvlak. Dit kwantumgedrag bleef bestaan over afstanden van één micrometer en kon zich uitstrekken tot tientallen micrometers - genoeg ruimte voor moderne elektronische, fotonische en kwantumapparaten.

"Dit is een fundamentele observatie die ons in staat stelt om op een nieuwe manier over thermisch beheer na te denken," zei Hu, die ook lid is van het California NanoSystems Institute aan de UCLA. "Door warmte te kunnen geleiden, focussen en herverdelen met nanogestructureerde precisie bij kamertemperatuur, legt de ontdekking een fundament voor kwantumthermische engineering." Want blijkbaar hebben we nu kwantumthermische engineering, en het staat op het punt een ding te worden.

Het vermogen om warmte op atomair niveau te beheersen zou kunnen helpen bij het aanpakken van oververhittingsproblemen in AI-hardware, micro-elektronica, ruimtevaartsystemen en andere elektronica - want, zoals iedereen die een laptop heeft aangeraakt na een videogesprek weet, oververhitting is een echte sfeerverpester. Het zou ook kunnen helpen bij het afstemmen van hoe fononen interageren met elektronen, wat mogelijk kwantuminformatiesystemen en sensortechnologieën vooruithelpt.

Eerdere observaties van fonon-focusing waren meestal beperkt tot temperaturen een paar graden boven het absolute nulpunt, waar fononen lange afstanden kunnen afleggen zonder te verstrooien. Bij kamertemperatuur verstrooien ze normaal gesproken vaker en verliezen ze coherentie, waardoor warmte zich verspreidt via gewone diffusie. Maar boorarsenide ervaart ongewoon zwakke fononverstrooiing, waardoor golfachtig transport bij kamertemperatuur kan overleven. De waargenomen warmtepatronen kwamen nauw overeen met theoretische berekeningen, wat bevestigt dat fononen in het materiaal ongewoon lange afstanden afleggen voordat ze verstrooien - een belangrijke reden waarom het golfgedrag blijft bestaan.

Dit werk bouwt voort op Hu's eerdere ontdekking van boorarsenide in 2018, en zijn groep heeft sindsdien hoogwaardige thermische interfaces en galliumnitride-apparaten ontwikkeld met boorarsenide voor koeling, wat het potentieel van het materiaal voor halfgeleiders van de volgende generatie onderstreept. De andere auteurs van de studie zijn Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su en Huu Duy Nguyen, allemaal huidige of voormalige afgestudeerde studenten in Hu's H Lab. Financiering kwam van het Amerikaanse ministerie van Energie, de National Science Foundation, het National Institute of General Medical Sciences en een gift van Parag en Falguni Patel. Computerbronnen werden geleverd door het UCLA Institute for Digital Research and Education en door Bridges 2 bij het Pittsburgh Supercomputing Center.

Dus, de volgende keer dat je laptop oververhit raakt, weet je dat de wetenschap eraan werkt - op een heel chique manier.