Într-o dezvoltare care sună ca un truc de fizică de petrecere, dar este de fapt o descoperire fundamentală, cercetătorii de la UCLA Samueli School of Engineering au arătat căldura poate fi canalizată prin materiale solide în căi concentrate, în formă de raze, la temperatura camerei - un fenomen observat anterior doar la temperaturi criogenice, unde lucrurile se comportă frumos și nu cauzează atât de multe probleme.

Publicat în Nature Physics, studiul condus de Yongjie Hu, profesor de inginerie mecanică și aerospațială, a observat această așa-numită focalizare a fononilor în arseniura de bor, un semiconductor cristalin care aparent are maniere termice mai bune decât majoritatea. Fononii - vibrațiile atomice care transportă căldura și prezintă comportament cuantic - se împrăștie de obicei în toate direcțiile la temperatura camerei, răspândind căldura uniform ca un gazdă politicoasă dar ineficientă. Dar în arseniura de bor, ei călătoresc pe căi coerente, bazate pe unde, urmând rute dictate de structura cristalină, asemănător luminii printr-o fibră optică. Aceasta înseamnă că inginerii ar putea potențial direcționa căldura pe rute nanometrice planificate, în loc să aștepte să se răspândească și apoi să încerce să o îndepărteze cu ventilatoare și radiatoare.

Echipa a dezvoltat o tehnică de mapare a temperaturii la scară nanometrică și a observat că, în timp ce materialele convenționale răspândesc căldura în modele circulare plictisitoare, arseniura de bor producea modele distincte în formă de raze, aliniate cu direcții cristaline specifice. Modelele se schimbau previzibil cu orientarea cristalului, producând modele de focalizare cu șase, opt și patru ori, în funcție de planul cristalin. Acest comportament cuantic a persistat pe distanțe de un micrometru și s-ar putea extinde la zeci de micrometri - suficient loc pentru dispozitive electronice, fotonice și cuantice moderne.

"Aceasta este o observație fundamentală care ne permite să gândim managementul termic într-un mod nou", a spus Hu, care este și membru al California NanoSystems Institute de la UCLA. "Permițând căldurii să fie ghidată, focalizată și redistribuită cu precizie nanometrică la temperatura camerei, descoperirea stabilește o fundație pentru ingineria termică cuantică." Pentru că, aparent, acum avem inginerie termică cuantică, și este pe cale să devină un lucru.

Abilitatea de a controla căldura la nivel atomic ar putea ajuta la rezolvarea problemelor de supraîncălzire în hardware-ul AI, microelectronică, sisteme aerospațiale și alte electronice - pentru că, după cum știe oricine a atins un laptop după un apel video, supraîncălzirea este un adevărat omorâtor de distracție. Ar putea permite, de asemenea, reglarea modului în care fononii interacționează cu electronii, avansând potențial sistemele de informații cuantice și tehnologiile de detectare.

Observațiile anterioare ale focalizării fononilor au fost limitate în principal la temperaturi de câteva grade deasupra zero absolut, unde fononii pot călători pe distanțe lungi fără a se împrăștia. La temperatura camerei, ei se împrăștie în mod normal mai frecvent și pierd coerența, cauzând răspândirea căldurii prin difuzie obișnuită. Dar arseniura de bor experimentează o împrăștiere a fononilor neobișnuit de slabă, permițând transportul bazat pe unde să supraviețuiască la temperatura camerei. Modelele de căldură observate s-au potrivit strâns cu calculele teoretice, confirmând că fononii din material călătoresc pe distanțe neobișnuit de lungi înainte de a se împrăștia - un motiv cheie pentru care comportamentul undelor persistă.

Această lucrare se bazează pe descoperirea anterioară a arseniurii de bor de către Hu în 2018, iar grupul său a dezvoltat de atunci interfețe termice de înaltă performanță și dispozitive cu nitrură de galiu folosind arseniura de bor pentru răcire, subliniind potențialul materialului pentru semiconductori de generație următoare. Ceilalți autori ai studiului includ Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su și Huu Duy Nguyen, toți studenți actuali sau foști absolvenți în laboratorul H al lui Hu. Finanțarea a venit de la Departamentul de Energie al SUA, Fundația Națională pentru Știință, Institutul Național de Științe Medicale Generale și un cadou de la Parag și Falguni Patel. Resursele de calcul au fost furnizate de Institutul pentru Cercetare și Educație Digitală de la UCLA și de Bridges 2 la Pittsburgh Supercomputing Center.

Deci, data viitoare