Inženýři z UCLA pozorovali kvantové tepelné vlny při pokojové teplotě

Vědci z Inženýrské fakulty UCLA Samueli poprvé předvedli, že fonony, tedy atomové vibrace přenášející teplo, se mohou při pokojové teplotě pohybovat v usměrněných paprskovitých drahách. Tento jev byl dříve pozorován pouze blízko absolutní nuly. Zjištění zveřejněná 22. července v časopise Nature Physics by mohla zásadně změnit způsob, jakým inženýři řídí teplo v elektronice, AI hardwaru a kvantových zařízeních.newsroom.ucla+1

Fokusace fononů v arsenidu boritém

Studie vedená Yongjie Huem, profesorem strojního a leteckého inženýrství na UCLA Samueli, ukázala, že v arsenidu boritém, krystalickém polovodiči s vysokou tepelnou vodivostí, se teplo nešíří rovnoměrně do všech směrů jako v běžných materiálech. Místo toho se pohybuje po usměrněných drahách určených krystalickou strukturou materiálu, podobně jako optická vlákna vedou světlo.samueli.ucla+1

K zachycení tohoto efektu tým vyvinul techniku mapování teploty na nanoúrovni. V běžných materiálech pozorovali kruhové vzorce šíření tepla odpovídající difúznímu vedení. V arsenidu boritém však zaznamenali paprskovité teplotní vzorce, které se předvídatelně měnily v závislosti na orientaci krystalu a vytvářely zřetelné šestičetné, osmičetné a čtyřčetné fokusační vzorce podle zkoumané krystalové roviny.newsroom.ucla

Kvantové chování fononů přetrvává na vzdálenosti jednoho mikrometru a potenciálně až desítek mikrometrů, což jsou vzdálenosti klíčové pro moderní elektronická, fotonická a kvantová zařízení.samueli.ucla+1

Důsledky pro budoucí technologie

"Jde o zásadní pozorování, které nám umožňuje přemýšlet o řízení tepla novým způsobem," řekl Hu. "Tím, že umožňuje usměrňovat, fokusovat a přerozdělovat teplo s nanoměrovou přesností při pokojové teplotě, pokládá tento objevit základ pro kvantové tepelné inženýrství."newsroom.ucla

Předchozí pozorování fokusace fononů vyžadovala kryogenní teploty, obvykle jen několik stupňů nad absolutní nulou, kde mohou fonony cestovat na dlouhé vzdálenosti bez rozptylu. Při pokojové teplotě se předpokládalo, že se fonony rozptylují příliš rychle na to, aby se projevilo takové koherentní chování. Neobvykle slabý rozptyl fononů v arsenidu boritém umožňuje zachovat vlnový transport i za běžných podmínek.nature+1

Objev navazuje na Huovu dřívější průkopnickou práci při experimentální charakterizaci arsenidu boritého z roku 2018. Řízení tepla na atomární úrovni by mohlo pomoci vyřešit tepelná úzká hrdla omezující výkon čipů pro AI, mikroelektronických zařízení a leteckých systémů a zároveň otevřít cesty k jemnému ladění interakce fononů s elektrony v kvantových informačních a senzorických technologiích.newsroom.ucla