I en utveckling som låter som ett fysiktrick men som faktiskt är ett grundläggande genombrott, har forskare vid UCLA Samueli School of Engineering visat att värme kan kanaliseras genom fasta material i koncentrerade, strålformade banor vid rumstemperatur – ett fenomen som tidigare bara observerats vid kryogena temperaturer, där saker uppför sig snällt och inte ställer till så mycket problem.

Publicerad i Nature Physics, observerade studien ledd av Yongjie Hu, professor i maskin- och rymdteknik, den så kallade fononfokuseringen i borarsenid, en kristallin halvledare som tydligen har bättre termiska seder än de flesta. Fononer – de atomära vibrationerna som bär värme och uppvisar kvantbeteende – sprids vanligtvis åt alla håll vid rumstemperatur, vilket sprider värme jämnt som en artig men ineffektiv värd. Men i borarsenid färdas de i koherenta, vågbaserade banor, som följer rutter som dikteras av kristallstrukturen, ungefär som ljus genom en optisk fiber. Detta innebär att ingenjörer potentiellt kan styra värme längs planerade nanoskala rutter istället för att vänta på att den sprids och sedan försöka skrubba bort den med fläktar och kylflänsar.

Teamet utvecklade en nanoskala temperaturkartläggningsteknik och observerade att medan konventionella material sprider värme i tråkiga cirkulära mönster, producerade borarsenid distinkta strålformade mönster i linje med specifika kristallriktningar. Mönstren skiftade förutsägbart med kristallorienteringen, vilket gav sexfaldiga, åttafaldiga och fyrfaldiga fokuseringsmönster beroende på kristallplanet. Detta kvantbeteende kvarstod över avstånd på en mikrometer och kunde sträcka sig tiotals mikrometer – gott om utrymme för moderna elektroniska, fotoniska och kvantenheter.

"Detta är en grundläggande observation som gör att vi kan tänka på termisk hantering på ett nytt sätt", sa Hu, som också är medlem i California NanoSystems Institute vid UCLA. "Genom att möjliggöra att värme kan styras, fokuseras och omfördelas med nanoskala precision vid rumstemperatur, etablerar upptäckten en grund för kvanttermisk ingenjörskonst." För tydligen har vi nu kvanttermisk ingenjörskonst, och det håller på att bli en grej.

Förmågan att kontrollera värme på atomnivå kan hjälpa till att åtgärda överhettningsproblem i AI-hårdvara, mikroelektronik, rymdsystem och annan elektronik – för, som alla som har rört en bärbar dator efter ett videosamtal vet, är överhettning en riktig dödare. Det kan också möjliggöra justering av hur fononer interagerar med elektroner, vilket potentiellt kan avancera kvantinformationssystem och sensorteknik.

Tidigare observationer av fononfokusering var mestadels begränsade till temperaturer några grader över absoluta nollpunkten, där fononer kan färdas långa sträckor utan att spridas. Vid rumstemperatur sprids de normalt oftare och förlorar koherens, vilket gör att värme sprids genom vanlig diffusion. Men borarsenid upplever ovanligt svag fononspridning, vilket gör att vågbaserad transport överlever vid rumstemperatur. De observerade värmemönstren matchade nära teoretiska beräkningar, vilket bekräftar att fononer i materialet färdas ovanligt långa sträckor innan de sprids – en nyckelorsak till att vågbeteendet kvarstår.

Detta arbete bygger på Hus tidigare upptäckt av borarsenid 2018, och hans grupp har sedan dess utvecklat högpresterande termiska gränssnitt och galliumnitridenheter med borarsenid för kylning, vilket understryker materialets potential för nästa generations halvledare. Studiens andra författare inkluderar Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su och Huu Duy Nguyen, alla nuvarande eller tidigare doktorander i Hus H Lab. Finansiering kom från U.S. Department of Energy, National Science Foundation, National Institute of General Medical Sciences och en gåva från Parag och Falguni Patel. Beräkningsresurser tillhandahölls av UCLA Institute for Digital Research and Education och av Bridges 2 vid Pittsburgh Supercomputing Center.

Så nästa gång din telefon blir varm, kom ihåg: vetenskapen arbetar på det, med en touch av kvantmagi.