Mühendisler oda sıcaklığında kuantum ısı dalgalarını gözlemledi

Katılarda verimli ısı yönetimi, yeni nesil elektronikleri geliştirmenin anahtarıdır. Bununla birlikte, fonon odaklanması olarak bilinen dalga benzeri ısı hareketi, yalnızca son derece düşük veya kriyojenik sıcaklıklarda gözlemlendi ve bu durum, çalışmasını ve pratik kullanımını sınırladı.

Şimdi, UCLA Samueli Mühendislik Okulu’ndaki araştırmacılar, kuantum özelliklere sahip atomik ısı taşıyan titreşimler olan fononların, oda sıcaklığında odaklanmış, ışın benzeri yollarda seyahat edebildiğini gösterdi. Isı, her yöne eşit şekilde yayılmak yerine, malzemenin kristal yapısı tarafından tanımlanan yönlendirilmiş yollar boyunca hareket edebilir ve gelecekteki elektronik ve kuantum teknolojilerinde ısı akışını yönetmek için yeni olanaklar açabilir.

Bor arsenitteki ışın benzeri ısı yolları

Yayınlandığı yer Doğa FiziğiÇalışma, UCLA Samueli’de makine ve havacılık mühendisliği profesörü Yongjie Hu tarafından yönetiliyor. Ekip, yüksek termal iletkenliğe sahip kristal yarı iletken bir malzeme olan bor arsenitte oda sıcaklığında odaklanan fononu gösterdi. Bor arsenit gibi malzemeler, ısıyı yayıldıktan sonra uzaklaştırmak yerine, tıpkı optik fiberlerin ışığı yönlendirmesi gibi, ısının önceden belirlenmiş rotalar boyunca nano ölçekli hassasiyetle hareket etmesini sağlayabilir.

Etkiyi yakalamak için araştırmacılar nano ölçekli bir sıcaklık haritalama tekniği geliştirdiler. Ekip, geleneksel malzemelerde, sıradan dağınık ısı iletimiyle tutarlı olan dairesel ısı yayma desenleri gözlemledi. Ancak bor arsenitte araştırmacılar, ısının belirli kristal yönleri boyunca yönlendirildiğini gösteren çarpıcı ışın benzeri sıcaklık desenleri gördüler.

Ekip ayrıca, bor arsenürün farklı kristal düzlemlerinin farklı altı kat, sekiz kat ve dört kat odaklanma desenleri sergileyerek, ısı akışı modellerinin kristal oryantasyonuna bağlı olarak tahmin edilebilir şekilde değiştiğini gösterdi. Daha da önemlisi, bu kuantum fonon davranışı, birçok modern elektronik, fotonik ve kuantum cihazı için yeterli olan 1 mikrometrelik ve potansiyel olarak onlarca mikrometreye kadar olan mesafelerde devam edebilir.

Çalışmanın ilgili yazarı ve UCLA’daki California NanoSystems Enstitüsü üyesi Hu, “Bu, termal yönetim hakkında yeni bir şekilde düşünmemizi sağlayan temel bir gözlemdir” dedi. “Isının oda sıcaklığında nano ölçekli hassasiyetle yönlendirilmesini, odaklanmasını ve yeniden dağıtılmasını sağlayan bu keşif, kuantum termal mühendisliği için bir temel oluşturuyor.”

Kriyojenik meraktan cihazlara

Isı hareketinin atomik düzeyde kontrol edilmesi, aşırı ısınmanın performansı, güvenilirliği ve ölçeklenebilirliği önemli ölçüde sınırladığı yapay zeka donanımı, mikroelektronik cihazlar, havacılık sistemleri ve diğer elektroniklerdeki darboğazların aşılmasına yardımcı olma potansiyeline sahiptir. Hu, gelecekteki kuantum bilgisi ve algılama teknolojilerine yönelik uygulamalarla fononların elektronlar ve diğer enerji taşıyıcılarıyla nasıl etkileşime gireceğinin ince ayarını yapma fırsatları da yaratabileceğini söyledi.

Fonon odaklanmaya ilişkin önceki gözlemler büyük ölçüde kriyojenik sıcaklıklarla sınırlıydı; genellikle fononların minimum saçılma ile uzun mesafeler kat edebildiği mutlak sıfırın yalnızca birkaç derece üzerindeydi. Oda sıcaklığında, fononların tipik olarak yoğun bir şekilde dağıldığı ve dalga tutarlılığını hızla kaybettiği, ısının dağınık bir şekilde yayılmasına neden olduğu gösterilmiştir.

Bu projeden elde edilen bulgular, Hu’nun 2018’de bor arsenürün deneysel keşfine öncülük eden önceki araştırmasına dayanıyor. Grubu, o zamandan beri, malzemenin yeni nesil yarı iletken teknolojisine yönelik vaadini vurgulayarak, soğutma için bor arseniti entegre eden yüksek performanslı termal arayüzler ve galyum nitrür cihazları gösterdi. Malzemenin alışılmadık derecede zayıf fonon saçılımı, dalga benzeri ısı aktarımının oda sıcaklığında devam etmesine olanak tanır.

Gözlemlenen ısı modelleri teorik hesaplamalarla eşleşti ve fononların saçılmadan önce alışılmadık derecede uzun mesafeler kat edebildiğini doğruladı; oda sıcaklığında bu dalga benzeri davranışı mümkün kılan temel faktör.

Araştırmanın diğer yazarları arasında Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su ve Huu Duy Nguyen yer alıyor; bunların tümü Hu’nun UCLA Samueli’deki H-Lab’ının mevcut veya eski yüksek lisans öğrencileri.