UCLA-forskere observerer kvantevarmebølger i romtemperatur

Forskere ved UCLA Samueli School of Engineering har for første gang vist at fononer, atomære vibrasjoner som frakter varme, kan bevege seg i fokuserte, strålelignende baner i romtemperatur, et fenomen som tidligere bare var observert nær det absolutte nullpunkt. Funnene, som ble publisert 22. juli i Nature Physics, kan endre hvordan ingeniører håndterer varme i elektronikk, KI-maskinvare og kvanteutstyr.newsroom.ucla+1

Fononfokusering i boronarsenid

Studien, ledet av Yongjie Hu, professor i maskin- og romfartsteknikk ved UCLA Samueli, viste at i boronarsenid, en krystallinsk halvleder med høy varmeledningsevne, sprer ikke varmen seg jevnt i alle retninger slik den gjør i konvensjonelle materialer. I stedet beveger den seg langs guidede baner bestemt av materialets krystallstruktur, mye på samme måte som optiske fibre leder lys.samueli.ucla+1

For å fange effekten utviklet teamet en teknikk for kartlegging av temperatur på nanoskala. I vanlige materialer observert de sirkulære varmespredningsmønstre i samsvar med diffusiv ledning. I boronarsenid registrerte de derimot strålelignende temperaturmønstre som endret seg forutsigbart med krystallretningen, noe som skapte tydelige seksdelte, åttedelte og firedelte fokuseringsmønstre avhengig av krystallplanet som ble undersøkt.newsroom.ucla

Kvantefononoppførselen vedvarer over avstander på én mikrometer og potensielt opptil titalls mikrometer, avstander som er relevante for moderne elektroniske, fotoniske og kvanteteknologiske enheter.samueli.ucla+1

Betydning for fremtidig teknologi

"Dette er en grunnleggende observasjon som lar oss tenke på termisk styring på en ny måte," sa Hu. "Ved å gjøre det mulig å lede, fokusere og omfordele varme med presisjon på nanoskala i romtemperatur, legger oppdagelsen et grunnlag for kvantetermisk ingeniørkunst."newsroom.ucla

Tidligere observasjoner av fononfokusering krevde kryogene temperaturer, vanligvis bare noen få grader over det absolutte nullpunkt, der fononer kan bevege seg lange avstander uten å spres. I romtemperatur trodde man at fononer spredte seg for raskt til at en slik koherent oppførsel kunne oppstå. Boronarsenids uvanlig svake fononspredning gjør at bølgelignende transport kan vedvare under omgivelsesforhold.nature+1

Oppdagelsen bygger på Hus tidligere arbeid med pionerforskning på den eksperimentelle karakteriseringen av boronarsenid i 2018. Å kontrollere varme på atomnivå kan bidra til å løse termiske flaskehalser som begrenser ytelsen til KI-brikker, mikroelektroniske enheter og luft- og romfartssystemer, samtidig som det åpner veier for å finjustere hvordan fononer samhandler med elektroner i kvanteinformasjons- og sensorteknologier.newsroom.ucla