Fizik partisi numarası gibi görünen ama aslında temel bir atılım olan bir gelişmeyle, UCLA Samueli Mühendislik Okulu'ndaki araştırmacılar, ısının katı malzemeler içinde oda sıcaklığında yoğun, ışın şeklinde yollardan kanalize edilebileceğini gösterdiler - bu fenomen daha önce yalnızca kriyojenik sıcaklıklarda gözlemlenmişti, yani her şeyin uslu durduğu ve pek sorun çıkarmadığı yerlerde.

Nature Physics'te yayımlanan ve makine ve havacılık mühendisliği profesörü Yongjie Hu liderliğindeki çalışma, bu sözde fonon odaklanmasını, çoğu malzemeden daha iyi termal davranışlara sahip görünen kristal bir yarı iletken olan bor arsenürde gözlemledi. Fononlar - ısıyı taşıyan ve kuantum davranışı sergileyen atomik titreşimler - oda sıcaklığında tipik olarak her yöne saçılır ve ısıyı kibar ama verimsiz bir ev sahibi gibi eşit şekilde yayar. Ancak bor arsenürde, kristal yapının belirlediği yolları izleyerek, optik fiberden geçen ışık gibi, tutarlı, dalga tabanlı yollarda ilerlerler. Bu, mühendislerin ısıyı fanlar ve soğutucularla temizlemeye çalışmak yerine, planlanmış nano ölçekli yollar boyunca yönlendirebileceği anlamına geliyor.

Ekip, nano ölçekli bir sıcaklık haritalama tekniği geliştirdi ve geleneksel malzemelerin ısıyı sıkıcı dairesel desenlerde yayarken, bor arsenürün belirli kristal yönleriyle hizalı belirgin ışın şeklinde desenler ürettiğini gözlemledi. Desenler, kristal yönelimiyle tahmin edilebilir şekilde değişti ve kristal düzlemine bağlı olarak altı katlı, sekiz katlı ve dört katlı odaklanma desenleri ortaya çıktı. Bu kuantum davranışı, bir mikrometrelik mesafeler boyunca sürdü ve onlarca mikrometreye kadar uzanabilir - modern elektronik, fotonik ve kuantum cihazları için fazlasıyla yeterli.

"Bu, termal yönetimi yeni bir şekilde düşünmemizi sağlayan temel bir gözlem," dedi Hu, aynı zamanda UCLA'daki California NanoSistemler Enstitüsü üyesi. "Isıyı oda sıcaklığında nano ölçekte yönlendirmeyi, odaklamayı ve yeniden dağıtmayı mümkün kılarak, keşif kuantum termal mühendisliği için bir temel oluşturuyor." Çünkü görünüşe göre artık kuantum termal mühendisliğimiz var ve yakında bir şey haline gelecek.

Atom düzeyinde ısıyı kontrol etme yeteneği, AI donanımı, mikroelektronik, havacılık sistemleri ve diğer elektroniklerdeki aşırı ısınma sorunlarını çözmeye yardımcı olabilir - çünkü, bir video görüşmesinden sonra dizüstü bilgisayarına dokunan herkesin bildiği gibi, aşırı ısınma gerçek bir keyif kaçıran. Ayrıca fononların elektronlarla etkileşimini ayarlamaya izin vererek, kuantum bilgi sistemlerini ve algılama teknolojilerini ilerletme potansiyeli de taşıyor.

Fonon odaklanmasına ilişkin önceki gözlemler çoğunlukla mutlak sıfırın birkaç derece üzerindeki sıcaklıklarla sınırlıydı; bu sıcaklıklarda fononlar saçılmadan uzun mesafeler kat edebilir. Oda sıcaklığında normalde daha sık saçılır ve tutarlılığı kaybederek ısının sıradan difüzyonla yayılmasına neden olurlar. Ancak bor arsenür, alışılmadık derecede zayıf fonon saçılımı yaşar ve dalga tabanlı taşınmanın oda sıcaklığında hayatta kalmasını sağlar. Gözlemlenen ısı desenleri teorik hesaplamalarla yakından eşleşti ve malzemedeki fononların saçılmadan önce alışılmadık derecede uzun mesafeler kat ettiğini doğruladı - dalga davranışının sürmesinin kilit nedeni.

Bu çalışma, Hu'nun 2018'de bor arsenürü keşfetmesine dayanıyor ve grubu o zamandan beri soğutma için bor arsenür kullanan yüksek performanslı termal arayüzler ve galyum nitrür cihazları geliştirdi; bu da malzemenin yeni nesil yarı iletkenler için potansiyelini vurguluyor. Çalışmanın diğer yazarları arasında Hu'nun H Laboratuvarı'nda şu anki veya eski yüksek lisans öğrencileri olan Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su ve Huu Duy Nguyen yer alıyor. Finansman ABD Enerji Bakanlığı, Ulusal Bilim Vakfı, Ulusal Genel Tıp Bilimleri Enstitüsü ve Parag ve Falguni Patel'den gelen bir bağışla sağlandı. Hesaplama kaynakları UCLA Dijital Araştırma ve Eğitim Enstitüsü ve Pittsburgh Süper Bilgisayar Merkezi'ndeki Bridges 2 tarafından sağlandı.

Yani, bir dahaki sefere dizüstü bilgisayarınız kucağınızı yakacak kadar ısındığında, bilim insanlarının bu sorunu çözmek için kuantum termal mühendisliği üzerinde çalıştığını unutmayın. Bu arada, bir soğutucu ped işinizi görecektir.