Визуализация лучевого теплового потока в арсениде бора при 300 К (80 °F). Источник: H-Lab/Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе

Это открытие может улучшить управление температурным режимом в электронике и способствовать развитию квантовых технологий и вычислительных технологий следующего поколения.

Обычно тепло распространяется по твердому телу вовне, поэтому его трудно контролировать, когда оно начинает двигаться. До сих пор волнообразная форма переноса тепла, называемая фонон-фокусом, наблюдалась только при экстремально низких, или криогенных, температурах, что резко ограничивало возможности ее изучения и применения.

Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Инженерной школы Самуэли показали, что фононы — квантовые колебания, переносящие тепло в материале, — могут двигаться по концентрированным, лучеобразным траекториям при комнатной температуре. Вместо того чтобы равномерно рассеиваться во всех направлениях, тепло следовало по траекториям, определяемым кристаллической структурой, что открывает новые возможности для направления тепловой энергии в будущих электронных и квантовых технологиях.

Работу, опубликованную в Nature Physics, возглавил профессор кафедры машиностроения и аэрокосмической инженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Самуэли. Его группа наблюдала фокусировку фононов при комнатной температуре в арсениде бора — кристаллическом полупроводнике, известном своей высокой теплопроводностью.

Вместо того чтобы ждать, пока нежелательное тепло распространится, а затем пытаться его устранить, арсенид бора потенциально может направлять эту энергию по тщательно выбранным маршрутам с наноразмерной точностью, подобно тому, как оптические волокна направляют свет.

Тепло образует лучи внутри кристалла

Исследователи разработали метод наномасштабного температурного картирования, чтобы сделать этот эффект видимым. В обычных материалах температурные узоры имеют круглую форму, что свидетельствует о привычном процессе, при котором тепло распространяется наружу.

Арсенид бора ведет себя иначе. Его температурные узоры образуют отчетливые лучи, что указывает на то, что тепло преимущественно распространяется в определенных направлениях внутри кристалла.

Ориентация кристалла меняет направление теплового потока

При изменении ориентации кристалла узор предсказуемо менялся. В разных плоскостях арсенида бора возникали шестикратные, восьмикратные и четырехкратные конфигурации сфокусированного тепла.

Такое квантово-фононное поведение сохранялось на расстояниях в один микрометр и потенциально могло распространяться на десятки микрометров. Этот диапазон достаточно велик, чтобы быть актуальным для многих электронных, фотонных и квантовых устройств.

«Это фундаментальное наблюдение, которое позволяет нам по-новому взглянуть на управление тепловыми процессами, — говорит Ху, автор исследования и сотрудник Калифорнийского института наносистем при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. — Это открытие закладывает основу для квантовой тепловой инженерии, позволяя направлять, фокусировать и перераспределять тепло с наноразмерной точностью при комнатной температуре».

Управляемое тепло может снизить риск перегрева

Способность контролировать тепло на атомном уровне может помочь решить проблему перегрева в аппаратном обеспечении искусственного интеллекта, микроэлектронике, аэрокосмических системах и других устройствах, где повышение температуры снижает производительность, надежность и масштабируемость.

По словам Ху, это открытие также может позволить исследователям регулировать взаимодействие между фононами, электронами и другими носителями энергии. Такой контроль может принести пользу будущим квантовым информационным и сенсорным технологиям.

Слабое рассеяние сохраняет волновое поведение

Для более ранних демонстраций фокусировки фононов требовались температуры всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. В таких условиях фононы могут перемещаться на большие расстояния, не сталкиваясь и не рассеиваясь.

При комнатной температуре фононы рассеиваются гораздо чаще и быстро теряют волновую когерентность, что приводит к распространению тепла за счет обычной диффузии.

Новые результаты основаны на более ранних работах Ху, связанных с экспериментальным открытием арсенида бора в 2018 году. С тех пор его группа продемонстрировала высокоэффективные тепловые интерфейсы и устройства на основе нитрида галлия, в которых для охлаждения используется арсенид бора, что подчёркивает потенциал этого материала для будущих полупроводниковых технологий.

В арсениде бора наблюдается необычно слабое рассеяние фононов, что позволяет волновому переносу тепла сохраняться даже при комнатной температуре.

Измеренные тепловые характеристики совпали с теоретическими предсказаниями, подтвердив, что фононы могут распространяться на необычно большие расстояния, прежде чем рассеяться. Это важнейшее условие, которое делает возможным распространение волн при комнатной температуре.