UCLA:n insinöörit havaitsivat kvanttilämpöaaltoja huoneenlämpötilassa

UCLA Samueli School of Engineeringin tutkijat ovat osoittaneet ensimmäistä kertaa, että fononit, lämpöä kuljettavat atomien värähtelyt, voivat liikkua kohdistettuina, säteittäisinä reitteinä huoneenlämpötilassa. Ilmiö on aiemmin havaittu vain lähellä absoluuttista nollapistettä. Nature Physics -lehdessä 22. heinäkuuta julkaistut tulokset voivat muuttaa tapaa, jolla insinöörit hallitsevat lämpöä elektroniikassa, tekoälylaitteistoissa ja kvanttilaitteissa.newsroom.ucla+1

Fononien kohdistuminen booriarsenidissa

UCLA Samuelin mekaniikan ja ilmailutekniikan professorin Yongjie Hun johtama tutkimus osoitti, että booriarsenidissa, joka on korkean lämmönjohtavuuden omaava kidepuolijohde, lämpö ei leviä tasaisesti kaikkiin suuntiin kuten tavanomaisissa materiaaleissa. Sen sijaan se liikkuu materiaalin kiderakenteen ohjaamia reittejä pitkin samalla tavoin kuin valokuidut ohjaavat valoa.samueli.ucla+1

Ilmiön tallentamiseksi tiimi kehitti nanoluokan lämpötilakartoitustekniikan. Tavanomaisissa materiaaleissa he havaitsivat pyöreitä lämmön leviämiskuvioita, jotka vastasivat diffusiivista johtumista. Booriarsenidissa he kuitenkin tallensivat säteittäisiä lämpötilakuvioita, jotka muuttuivat ennustettavasti kiteen suuntauksen mukaan ja muodostivat kuusi-, kahdeksan- ja nelinkertaisia kohdistuskuvioita tutkitun kidetason mukaan.newsroom.ucla

Fononien kvanttikäyttäytyminen säilyy yhden mikrometrin ja mahdollisesti jopa kymmenien mikrometrien etäisyyksillä, joilla on merkitystä nykyaikaisissa elektroniikka-, fotoniikka- ja kvanttilaitteissa.samueli.ucla+1

Vaikutukset tulevaisuuden teknologiaan

"Tämä on perustavanlaatuinen havainto, jonka ansiosta voimme ajatella lämmönhallintaa uudella tavalla", Hu sanoi. "Löydös luo pohjan kvanttilämpötekniikalle mahdollistamalla lämmön ohjaamisen, kohdistamisen ja uudelleenjakamisen nanoluokan tarkkuudella huoneenlämpötilassa."newsroom.ucla

Aiemmat havainnot fononien kohdistumisesta vaativat kryogeenisiä lämpötiloja, yleensä vain muutamia asteita absoluuttisen nollapisteen yläpuolella, missä fononit voivat liikkua pitkiä matkoja sirottumatta. Huoneenlämpötilassa fononien uskottiin sirottuvan liian nopeasti, jotta tällaista koherenttia käyttäytymistä voisi ilmetä. Booriarsenidin poikkeuksellisen heikko fononisironta mahdollistaa aaltomaisen kuljetuksen säilymisen ympäristön olosuhteissa.nature+1

Löydös perustuu Hun aiempaan työhön, jossa hän oli uraauurtavasti mukana booriarsenidin kokeellisessa karakterisoinnissa vuonna 2018. Lämmön hallinta atomitasolla voisi auttaa ratkaisemaan lämpöpullonkauloja, jotka rajoittavat tekoälysirujen, mikroelektroniikkalaitteiden ja ilmailujärjestelmien suorituskykyä, sekä avata uusia reittejä fononien ja elektronien vuorovaikutuksen hienosäätöön kvanttitietotekniikassa ja anturiteknologioissa.newsroom.ucla