Em um desenvolvimento que soa como um truque de festa da física, mas é na verdade um avanço fundamental, pesquisadores da Escola de Engenharia Samueli da UCLA mostraram que o calor pode ser canalizado através de materiais sólidos em caminhos concentrados, em forma de raio, à temperatura ambiente - um fenômeno anteriormente observado apenas em temperaturas criogênicas, onde as coisas se comportam bem e não causam tantos problemas.

Publicado na Nature Physics, o estudo liderado por Yongjie Hu, professor de engenharia mecânica e aeroespacial, observou esse chamado foco de fônons em arsenieto de boro, um semicondutor cristalino que aparentemente tem melhores maneiras térmicas do que a maioria. Fônons - as vibrações atômicas que transportam calor e exibem comportamento quântico - tipicamente se espalham em todas as direções à temperatura ambiente, distribuindo o calor uniformemente como um anfitrião educado, mas ineficiente. Mas no arsenieto de boro, eles viajam em caminhos coerentes, baseados em ondas, seguindo rotas ditadas pela estrutura cristalina, muito parecido com a luz através de uma fibra óptica. Isso significa que os engenheiros poderiam potencialmente direcionar o calor ao longo de rotas nanométricas planejadas, em vez de esperar que ele se espalhe e depois tentar removê-lo com ventiladores e dissipadores de calor.

A equipe desenvolveu uma técnica de mapeamento de temperatura em nanoescala e observou que, enquanto os materiais convencionais espalham o calor em padrões circulares entediantes, o arsenieto de boro produziu padrões distintos em forma de raio alinhados com direções específicas do cristal. Os padrões mudaram previsivelmente com a orientação do cristal, produzindo padrões de foco de seis, oito e quatro vezes, dependendo do plano cristalino. Esse comportamento quântico persistiu em distâncias de um micrômetro e pode se estender por dezenas de micrômetros - espaço de sobra para dispositivos eletrônicos, fotônicos e quânticos modernos.

"Esta é uma observação fundamental que nos permite pensar sobre o gerenciamento térmico de uma nova maneira", disse Hu, que também é membro do Instituto de Nanossistemas da Califórnia na UCLA. "Ao permitir que o calor seja guiado, focado e redistribuído com precisão em nanoescala à temperatura ambiente, a descoberta estabelece uma base para a engenharia térmica quântica." Porque aparentemente, agora temos engenharia térmica quântica, e está prestes a se tornar uma coisa.

A capacidade de controlar o calor no nível atômico poderia ajudar a resolver problemas de superaquecimento em hardware de IA, microeletrônica, sistemas aeroespaciais e outros eletrônicos - porque, como qualquer pessoa que tocou em um laptop após uma chamada de vídeo sabe, o superaquecimento é um verdadeiro desânimo. Também pode permitir ajustar como os fônons interagem com os elétrons, potencialmente avançando sistemas de informação quântica e tecnologias de sensoriamento.

Observações anteriores de foco de fônons eram limitadas principalmente a temperaturas alguns graus acima do zero absoluto, onde os fônons podem viajar longas distâncias sem espalhamento. À temperatura ambiente, eles normalmente se espalham com mais frequência e perdem coerência, fazendo com que o calor se espalhe por difusão comum. Mas o arsenieto de boro experimenta um espalhamento de fônons excepcionalmente fraco, permitindo que o transporte baseado em ondas sobreviva à temperatura ambiente. Os padrões de calor observados corresponderam de perto aos cálculos teóricos, confirmando que os fônons no material viajam distâncias excepcionalmente longas antes de se espalharem - uma razão chave para o comportamento de onda persistir.

Este trabalho se baseia na descoberta anterior de Hu do arsenieto de boro em 2018, e seu grupo desde então desenvolveu interfaces térmicas de alto desempenho e dispositivos de nitreto de gálio usando arsenieto de boro para resfriamento, ressaltando o potencial do material para semicondutores de próxima geração. Os outros autores do estudo incluem Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su e Huu Duy Nguyen, todos atuais ou ex-alunos de pós-graduação no H Lab de Hu. O financiamento veio do Departamento de Energia dos EUA, da Fundação Nacional de Ciência, do Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais e de uma doação de Parag e Falguni Patel. Os recursos computacionais foram fornecidos pelo Instituto de Pesquisa e Educação Digital da UCLA e pelo Bridges 2 no Centro de Supercomputação de Pittsburgh.

Então, da próxima vez que seu laptop esquentar, lembre-se: a ciência está trabalhando duro para guiar esse calor para longe, em vez de apenas deixá-lo se espalhar.