O echipă de ingineri de la UCLA a reușit să filmeze, pentru prima dată la temperatura camerei, un fenomen numit „phonon focusing”: căldura care se deplasează sub formă de unde direcționate, nu difuz, în toate direcțiile. Descoperirea a fost publicată în revista Nature Physics și ar putea schimba modul în care sunt răcite viitoarele generații de electronice.
Studiul a fost condus de Yongjie Hu, profesor de inginerie mecanică și aerospațială la UCLA Samueli School of Engineering, potrivit unui comunicat publicat pe EurekAlert. Echipa a demonstrat fenomenul într-un cristal semiconductor cu conductivitate termică ridicată, arsenura de bor.
Căldura care circulă pe trasee, nu se împrăștie
Fononii sunt vibrații atomice purtătoare de căldură, cu proprietăți cuantice. Până acum, acest tip de mișcare ondulatorie a căldurii fusese observat doar la temperaturi criogenice, de doar câteva grade peste zero absolut, acolo unde fononii pot parcurge distanțe mari cu dispersie minimă. La temperatura camerei, fononii se dispersează de regulă rapid și își pierd coerența undei, iar căldura ajunge să se răspândească difuz, în toate direcțiile deodată.
Echipa de la UCLA a arătat că, în arsenura de bor, căldura este ghidată pe direcții precise, definite de structura cristalină a materialului. Tiparele de propagare se schimbă previzibil în funcție de orientarea planurilor cristaline: cercetătorii au observat modele de focalizare în șase, opt și patru direcții, în funcție de plan. Comportamentul cuantic al fononilor persistă pe distanțe de un micrometru și, potențial, până la zeci de micrometri, suficient pentru multe dintre dispozitivele electronice, fotonice și cuantice actuale.
„Aceasta este o observație fundamentală, care ne permite să regândim managementul termic într-un mod nou”, a declarat Hu, autorul corespondent al studiului și membru al California NanoSystems Institute din cadrul UCLA. „Permițând căldurii să fie ghidată, focalizată și redistribuită cu precizie la scară nanometrică, la temperatura camerei, descoperirea pune bazele unei inginerii termice cuantice.”
De ce contează pentru cipuri și pentru calculul cuantic
Controlul mișcării căldurii la nivel atomic ar putea ajuta la depășirea blocajelor din hardware-ul folosit pentru inteligența artificială, din dispozitivele microelectronice, din sistemele aerospațiale și din alte tipuri de electronice, acolo unde supraîncălzirea limitează performanța, fiabilitatea și capacitatea de a crește la scară. Hu a precizat că descoperirea ar putea permite și ajustarea fină a modului în care fononii interacționează cu electronii și cu alți purtători de energie, cu aplicații pentru viitoarele tehnologii cuantice de calcul și de detecție, un domeniu în care calculatoarele cuantice încep deja să influențeze inteligența artificială.
Rezultatele obținute de echipa UCLA se bazează pe cercetarea anterioară a lui Hu, care a descoperit experimental arsenura de bor în 2018. De atunci, grupul său a mai demonstrat interfețe termice de mare performanță și dispozitive din nitrură de galiu răcite cu ajutorul arsenurii de bor, evidențiind potențialul materialului pentru viitoarea generație de semiconductori. Tiparele de căldură observate în noul studiu au fost confirmate și prin calcule teoretice, care arată că fononii pot parcurge distanțe neobișnuit de mari înainte de a se dispersa — factorul cheie ce permite acest comportament ondulatoriu la temperatura camerei. Alte materiale cuantice studiate recent pentru comportamentul lor neobișnuit la temperaturi normale arată că interesul cercetătorilor pentru fenomene cuantice observabile fără răcire extremă este în creștere.
La studiu au mai contribuit Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su și Huu Duy Nguyen, studenți actuali sau foști studenți doctoranzi în cadrul laboratorului H-Lab al lui Hu de la UCLA Samueli. Cercetarea a fost finanțată de Departamentul american al Energiei, Fundația Națională pentru Știință, Institutul Național de Științe Medicale Generale și printr-un fond donat de Parag și Falguni Patel. Suportul computațional a fost asigurat de grupul de tehnologie al Institutului UCLA pentru Cercetare Digitală și Educație și de supercomputerul Bridges-2 de la Pittsburgh Supercomputing Center. Studiul, intitulat „Phonon focusing at room temperature”, a fost publicat pe 23 iulie în Nature Physics.
