Инженеры впервые наблюдали квантовые тепловые волны при комнатной температуре
AI Изображение создано с помощью ИИ и носит иллюстративный характер
Тепло в твердых телах может двигаться не хаотично, а направленно, как лучи света. Ученые из инженерной школы UCLA Samueli продемонстрировали, что фононы — атомные колебания, переносящие тепло, — способны распространяться сфокусированными лучами при комнатной температуре. Ранее такое волновое движение тепла, известное как фононная фокусировка, наблюдали только при криогенных температурах, вблизи абсолютного нуля. Эту информацию сообщает сайт Phys.org.
Исследование, опубликованное в Nature Physics, провела группа под руководством профессора Юнцзе Ху. Ученые использовали борид арсенида — кристаллический полупроводник с высокой теплопроводностью. В этом материале тепло движется по заданным маршрутам с нанометровой точностью, подобно тому как оптоволокно направляет свет.
Для наблюдения эффекта команда разработала наноразмерную технику картирования температуры. В обычных материалах тепло распространялось круговыми волнами, что соответствует диффузионной теплопроводности. В бориде арсенида ученые увидели отчетливые лучевые температурные паттерны — тепло направлялось вдоль определенных кристаллических направлений.
В зависимости от ориентации кристалла паттерны фокусировки менялись: разные кристаллические плоскости борида арсенида демонстрировали шести-, восьми- и четырехкратные узоры. Квантовое фононное поведение сохраняется на расстоянии до 1 микрометра, а потенциально — до десятков микрометров, что достаточно для многих современных электронных, фотонных и квантовых устройств.
«Это фундаментальное наблюдение, которое позволяет по-новому взглянуть на управление теплом, — сказал Ху. — Возможность направлять, фокусировать и перераспределять тепло с нанометровой точностью при комнатной температуре закладывает основу для квантовой теплотехники».
Контроль движения тепла на атомном уровне может помочь преодолеть узкие места в аппаратуре ИИ, микроэлектронике, аэрокосмических системах, где перегрев ограничивает производительность и надежность. Ху отметил, что это также создаст возможности для точной настройки взаимодействия фононов с электронами и другими носителями энергии, что пригодится в квантовых информационных и сенсорных технологиях.
Предыдущие наблюдения фононной фокусировки ограничивались криогенными температурами, где фононы проходят большие расстояния с минимальным рассеянием. При комнатной температуре фононы обычно рассеиваются и теряют волновую когерентность, вызывая диффузионное распространение тепла. Однако необычно слабое рассеяние фононов в бориде арсенида позволяет волновому переносу тепла сохраняться при комнатной температуре.
Наблюдаемые тепловые паттерны совпали с теоретическими расчетами, подтвердив, что фононы могут проходить необычно большие расстояния до рассеяния. Это ключевой фактор, обеспечивающий волновое поведение при комнатной температуре. Работа основана на предыдущих исследованиях Ху, который в 2018 году впервые экспериментально открыл борид арсенида. Его группа уже продемонстрировала высокопроизводительные тепловые интерфейсы и устройства на основе нитрида галлия, интегрирующие борид арсенида для охлаждения.
