В развитии, которое звучит как физический фокус, но на самом деле является фундаментальным прорывом, исследователи из инженерной школы UCLA Samueli показали, что тепло можно направлять через твердые материалы в концентрированных, лучеобразных путях при комнатной температуре - явление, ранее наблюдаемое только при криогенных температурах, где вещи ведут себя хорошо и не доставляют столько хлопот.

Опубликованное в Nature Physics исследование, проведенное под руководством Юнцзе Ху, профессора машиностроения и аэрокосмической техники, наблюдало так называемую фокусировку фононов в арсениде бора - кристаллическом полупроводнике, у которого, по-видимому, лучше тепловые манеры, чем у большинства. Фононы - атомные колебания, которые переносят тепло и проявляют квантовое поведение, - обычно рассеиваются как попало при комнатной температуре, распространяя тепло равномерно, как вежливый, но неэффективный хозяин. Но в арсениде бора они движутся по когерентным, волновым путям, следуя маршрутам, определяемым кристаллической структурой, подобно свету в оптическом волокне. Это означает, что инженеры потенциально могут направлять тепло по запланированным наноразмерным маршрутам, вместо того чтобы ждать, пока оно распространится, а затем пытаться счистить его вентиляторами и радиаторами.

Команда разработала наноразмерную технику картирования температуры и наблюдала, что в то время как обычные материалы распространяют тепло по скучным круговым схемам, арсенид бора давал отчетливые лучеобразные схемы, выровненные по определенным кристаллическим направлениям. Схемы предсказуемо менялись с ориентацией кристалла, давая шести-, восьми- и четырехкратные схемы фокусировки в зависимости от кристаллической плоскости. Это квантовое поведение сохранялось на расстояниях в один микрометр и могло распространяться на десятки микрометров - достаточно места для современных электронных, фотонных и квантовых устройств.

"Это фундаментальное наблюдение, которое позволяет нам думать об управлении теплом по-новому", - сказал Ху, который также является членом Калифорнийского наносистемного института в UCLA. "Позволяя направлять, фокусировать и перераспределять тепло с наноразмерной точностью при комнатной температуре, открытие закладывает основу для квантовой тепловой инженерии". Потому что, очевидно, теперь у нас есть квантовая тепловая инженерия, и она вот-вот станет реальностью.

Способность контролировать тепло на атомном уровне может помочь решить проблемы перегрева в аппаратном обеспечении ИИ, микроэлектронике, аэрокосмических системах и другой электронике - потому что, как знает любой, кто трогал ноутбук после видеозвонка, перегрев - это настоящий убийца настроения. Это также может позволить настраивать взаимодействие фононов с электронами, потенциально продвигая квантовые информационные системы и сенсорные технологии.

Предыдущие наблюдения фокусировки фононов были в основном ограничены температурами на несколько градусов выше абсолютного нуля, где фононы могут проходить большие расстояния без рассеяния. При комнатной температуре они обычно рассеиваются чаще и теряют когерентность, что приводит к распространению тепла посредством обычной диффузии. Но арсенид бора испытывает необычно слабое рассеяние фононов, что позволяет волновому переносу выживать при комнатной температуре. Наблюдаемые тепловые схемы точно соответствовали теоретическим расчетам, подтверждая, что фононы в материале проходят необычно большие расстояния перед рассеянием - ключевая причина, по которой волновое поведение сохраняется.

Эта работа основана на более раннем открытии Ху арсенида бора в 2018 году, и его группа с тех пор разработала высокопроизводительные тепловые интерфейсы и устройства на основе нитрида галлия с использованием арсенида бора для охлаждения, что подчеркивает потенциал материала для полупроводников следующего поколения. Другие авторы исследования включают Ман Ли, Хуан Ву, Цзихао Цинь, Чуаньцзинь Су и Хуу Зуй Нгуен, все нынешние или бывшие аспиранты в лаборатории Ху. Финансирование поступило от Министерства энергетики США, Национального научного фонда, Национального института общих медицинских наук и подарка от Парага и Фалгуни Патель. Вычислительные ресурсы были предоставлены Институтом цифровых исследований и образования UCLA и Bridges 2 в Питтсбургском суперкомпьютерном центре.

Так что в следующий раз, когда ваш ноутбук станет слишком горячим, чтобы его касаться, просто помните: ученые работают над тем, чтобы направлять это тепло в нужное русло, потому что, конечно, они это делают.