W wydarzeniu, które brzmi jak fizyczny trik na imprezie, ale w rzeczywistości jest fundamentalnym przełomem, naukowcy z UCLA Samueli School of Engineering wykazali, że ciepło może być prowadzone przez materiały stałe w skoncentrowanych, promieniowych ścieżkach w temperaturze pokojowej – zjawisko wcześniej obserwowane tylko w temperaturach kriogenicznych, gdzie rzeczy zachowują się grzecznie i nie sprawiają tyle kłopotów.

Opublikowane w Nature Physics badanie, kierowane przez Yongjie Hu, profesora inżynierii mechanicznej i lotniczej, zaobserwowało tak zwane skupianie fononów w arsenku boru, krystalicznym półprzewodniku, który najwyraźniej ma lepsze maniery termiczne niż większość. Fonony – wibracje atomowe przenoszące ciepło i wykazujące zachowania kwantowe – zazwyczaj rozpraszają się we wszystkich kierunkach w temperaturze pokojowej, rozprowadzając ciepło równomiernie jak uprzejmy, ale nieefektywny gospodarz. Ale w arsenku boru poruszają się one spójnymi, falowymi ścieżkami, podążając trasami wyznaczonymi przez strukturę krystaliczną, podobnie jak światło w światłowodzie. Oznacza to, że inżynierowie mogliby potencjalnie kierować ciepło wzdłuż zaplanowanych nanoskopowych tras zamiast czekać, aż się rozprzestrzeni, a potem próbować je zetrzeć wentylatorami i radiatorami.

Zespół opracował nanoskopową technikę mapowania temperatury i zaobserwował, że podczas gdy konwencjonalne materiały rozprowadzają ciepło w nudnych okrągłych wzorach, arsenek boru wytwarzał wyraźne promieniowe wzory zgodne z określonymi kierunkami krystalograficznymi. Wzory przesuwały się przewidywalnie wraz z orientacją kryształu, dając sześciokrotne, ośmiokrotne i czterokrotne wzory skupiania w zależności od płaszczyzny kryształu. To zachowanie kwantowe utrzymywało się na odległościach jednego mikrometra i mogło rozciągać się na dziesiątki mikrometrów – wystarczająco dużo miejsca dla nowoczesnych urządzeń elektronicznych, fotonowych i kwantowych.

„To fundamentalna obserwacja, która pozwala nam myśleć o zarządzaniu ciepłem w nowy sposób” – powiedział Hu, który jest również członkiem California NanoSystems Institute na UCLA. „Umożliwiając kierowanie, skupianie i redystrybucję ciepła z nanoskopową precyzją w temperaturze pokojowej, odkrycie ustanawia fundamenty dla kwantowej inżynierii termicznej”. Bo najwyraźniej mamy teraz kwantową inżynierię termiczną i to stanie się rzeczą.

Możliwość kontrolowania ciepła na poziomie atomowym może pomóc w rozwiązaniu problemów z przegrzewaniem w sprzęcie AI, mikroelektronice, systemach lotniczych i innych urządzeniach elektronicznych – ponieważ, jak wie każdy, kto dotknął laptopa po wideorozmowie, przegrzewanie to prawdziwy zabójca dobrej zabawy. Może również pozwolić na dostrojenie interakcji fononów z elektronami, potencjalnie rozwijając systemy informacji kwantowej i technologie czujników.

Wcześniejsze obserwacje skupiania fononów były ograniczone głównie do temperatur kilka stopni powyżej zera absolutnego, gdzie fonony mogą przemieszczać się na duże odległości bez rozpraszania. W temperaturze pokojowej zwykle rozpraszają się częściej i tracą spójność, powodując rozprzestrzenianie się ciepła przez zwykłą dyfuzję. Ale arsenek boru doświadcza niezwykle słabego rozpraszania fononów, co pozwala na przetrwanie transportu falowego w temperaturze pokojowej. Zaobserwowane wzory cieplne ściśle odpowiadały obliczeniom teoretycznym, potwierdzając, że fonony w tym materiale przemieszczają się na niezwykle długie odległości przed rozproszeniem – co jest kluczowym powodem, dla którego zachowanie falowe utrzymuje się.

Ta praca opiera się na wcześniejszym odkryciu arsenku boru przez Hu w 2018 roku, a jego grupa od tego czasu opracowała wysokowydajne interfejsy termiczne i urządzenia z azotku galu wykorzystujące arsenek boru do chłodzenia, podkreślając potencjał tego materiału dla półprzewodników nowej generacji. Pozostali autorzy badania to Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su i Huu Duy Nguyen, wszyscy obecni lub byli studenci w laboratorium H Hu. Finansowanie pochodziło z Departamentu Energii USA, Narodowej Fundacji Nauki, Narodowego Instytutu Nauk Medycznych Ogólnych oraz darowizny od Paraga i Falguni Patel. Zasoby obliczeniowe zapewniły UCLA Institute for Digital Research and Education oraz Bridges 2 w Pittsburgh Supercomputing Center.

Więc następnym razem, gdy twój laptop będzie się przegrzewał, pamiętaj: nauka pracuje nad tym, abyś mógł go ochłodzić w bardziej elegancki sposób niż tylko dmuchanie w niego.