Ingenieros de UCLA observan ondas de calor cuánticas a temperatura ambiente

Un grupo de investigadores de la Escuela de Ingeniería Samueli de la UCLA ha demostrado por primera vez que los fonones, vibraciones atómicas que transportan calor, pueden desplazarse en trayectorias enfocadas similares a rayos a temperatura ambiente, un fenómeno observado anteriormente solo cerca del cero absoluto. Los hallazgos, publicados el 22 de julio en Nature Physics, podrían rediseñar la forma en que los ingenieros gestionan el calor en la electrónica, el hardware de IA y los dispositivos cuánticos.newsroom.ucla+1

Focalización de fonones en el arseniuro de boro

El estudio, dirigido por Yongjie Hu, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en UCLA Samueli, demostró que en el arseniuro de boro, un semiconductor cristalino con alta conductividad térmica, el calor no se propaga de manera uniforme en todas las direcciones como ocurre en los materiales convencionales. En su lugar, se desplaza a lo largo de rutas guiadas dictadas por la estructura cristalina del material, de manera muy similar a como las fibras ópticas canalizan la luz.samueli.ucla+1

Para captar este efecto, el equipo desarrolló una técnica de mapeo térmico a escala nanométrica. En materiales ordinarios, observaron patrones circulares de dispersión del calor coherentes con la conducción difusiva. En el arseniuro de boro, sin embargo, registraron patrones de temperatura en forma de rayos que cambiaban de manera predecible con la orientación del cristal, produciendo patrones de focalización distintos de seis, ocho y cuatro pliegues según el plano cristalino examinado.newsroom.ucla

El comportamiento cuántico de los fonones persiste a distancias de un micrómetro y potencialmente hasta decenas de micrómetros, distancias relevantes para los dispositivos electrónicos, fotónicos y cuánticos modernos.samueli.ucla+1

Implicaciones para la tecnología del futuro

"Esta es una observación fundamental que nos permite pensar en la gestión térmica de una forma nueva", afirmó Hu. "Al permitir que el calor se guíe, enfoque y redistribuya con precisión nanométrica a temperatura ambiente, el descubrimiento sienta las bases para la ingeniería térmica cuántica".newsroom.ucla

Las observaciones anteriores de la focalización de fonones requerían temperaturas criogénicas, típicamente a solo unos pocos grados por encima del cero absoluto, donde los fonones pueden recorrer largas distancias sin dispersarse. A temperatura ambiente, se pensaba que los fonones se dispersaban demasiado rápido como para que surgiera tal comportamiento coherente. La dispersión inusualmente débil de los fonones en el arseniuro de boro permite que el transporte de tipo ondulatorio persista en condiciones ambientales.nature+1

El descubrimiento se basa en el trabajo anterior de Hu, pionero en la caracterización experimental del arseniuro de boro en 2018. El control del calor a nivel atómico podría ayudar a resolver los cuellos de botella térmicos que limitan el rendimiento de los chips de IA, los dispositivos microelectrónicos y los sistemas aeroespaciales, al tiempo que abre vías para afinar la interacción entre fonones y electrones en las tecnologías de información y sensores cuánticos.newsroom.ucla