Μηχανικοί του UCLA παρατηρούν κβαντικά κύματα θερμότητας σε θερμοκρασία δωματίου

Ερευνητές της Σχολής Μηχανικών Samueli του UCLA απέδειξαν για πρώτη φορά ότι τα φονόνια, ατομικές δονήσεις που μεταφέρουν θερμότητα, μπορούν να ταξιδεύουν σε εστιασμένες διαδρομές σαν ακτίνες σε θερμοκρασία δωματίου, ένα φαινόμενο που προηγουμένως είχε παρατηρηθεί μόνο κοντά στο απόλυτο μηδέν. Τα ευρήματα, που δημοσιεύτηκαν στις 22 Ιουλίου στο Nature Physics, θα μπορούσαν να αναδιαμορφώσουν τον τρόπο με τον οποίο οι μηχανικοί διαχειρίζονται τη θερμότητα στα ηλεκτρονικά, στο υλικό τεχνητής νοημοσύνης και στις κβαντικές συσκευές.newsroom.ucla+1

Εστίαση φονονίων στο αρσενικούχο βόριο

Η μελέτη, με επικεφαλής τον Yongjie Hu, καθηγητή μηχανολογίας και αεροδιαστημικής μηχανικής στο UCLA Samueli, έδειξε ότι στο αρσενικούχο βόριο, έναν κρυσταλλικό ημιαγωγό με υψηλή θερμική αγωγιμότητα, η θερμότητα δεν διαχέεται ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις όπως στα συμβατικά υλικά. Αντίθετα, μετακινείται κατά μήκος κατευθυνόμενων διαδρομών που καθορίζονται από την κρυσταλλική δομή του υλικού, όπως ακριβώς οι οπτικές ίνες κατευθύνουν το φως.samueli.ucla+1

Για να καταγράψει το φαινόμενο, η ομάδα ανέπτυξε μια τεχνική χαρτογράφησης θερμοκρασίας σε νανοκλίμακα. Στα συνηθισμένα υλικά, παρατήρησαν κυκλικά μοτίβα διάχυσης της θερμότητας, που συνάδουν με τη διάχυτη αγωγιμότητα. Στο αρσενικούχο βόριο, ωστόσο, κατέγραψαν μοτίβα θερμοκρασίας σαν ακτίνες που άλλαζαν προβλέψιμα με τον προσανατολισμό του κρυστάλλου, παράγοντας διακριτά μοτίβα εστίασης έξι, οκτώ και τεσσάρων κατευθύνσεων, ανάλογα με το κρυσταλλικό επίπεδο που εξετάστηκε.newsroom.ucla

Η κβαντική αυτή συμπεριφορά των φονονίων διατηρείται σε αποστάσεις ενός μικρομέτρου και πιθανώς έως και δεκάδων μικρομέτρων, αποστάσεις σημαντικές για τις σύγχρονες ηλεκτρονικές, φωτονικές και κβαντικές συσκευές.samueli.ucla+1

Επιπτώσεις για τη μελλοντική τεχνολογία

«Πρόκειται για μια θεμελιώδη παρατήρηση που μας επιτρέπει να σκεφτούμε τη θερμική διαχείριση με έναν νέο τρόπο», δήλωσε ο Hu. «Επιτρέποντας στη θερμότητα να κατευθύνεται, να εστιάζεται και να ανακατανέμεται με ακρίβεια νανοκλίμακας σε θερμοκρασία δωματίου, η ανακάλυψη αυτή θέτει τις βάσεις για την κβαντική θερμική μηχανική».newsroom.ucla

Οι προηγούμενες παρατηρήσεις της εστίασης φονονίων απαιτούσαν κρυογονικές θερμοκρασίες, συνήθως μόλις λίγους βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν, όπου τα φονόνια μπορούν να ταξιδέψουν σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς να σκεδαστούν. Σε θερμοκρασία δωματίου, θεωρούνταν ότι τα φονόνια σκεδάζονται πολύ γρήγορα για να εμφανιστεί μια τέτοια συνεκτική συμπεριφορά. Η ασυνήθιστα ασθενής σκέδαση φονονίων στο αρσενικούχο βόριο επιτρέπει τη διατήρηση της κυματικής μεταφοράς υπό συνθήκες περιβάλλοντος.nature+1

Η ανακάλυψη βασίζεται σε προηγούμενη εργασία του Hu που πρωτοστάτησε στον πειραματικό χαρακτηρισμό του αρσενικούχου βορίου το 2018. Ο έλεγχος της θερμότητας σε ατομικό επίπεδο θα μπορούσε να βοηθήσει στην αντιμετώπιση των θερμικών περιορισμών που περιορίζουν την απόδοση των τσιπ τεχνητής νοημοσύνης, των μικροηλεκτρονικών συσκευών και των αεροδιαστημικών συστημάτων, ενώ παράλληλα ανοίγει δρόμους για τον ακριβή συντονισμό της αλληλεπίδρασης των φονονίων με τα ηλεκτρόνια στις τεχνολογίες κβαντικής πληροφορίας και αισθητήρων.newsroom.ucla