Lämmön ohjausta kvanttitasolla

Tehokas lämmönhallinta kiinteissä aineissa on avainasemassa seuraavan sukupolven elektroniikan kehittämisessä. Aaltomaista lämmönliikettä – joka tunnetaan fononifokusointina – on kuitenkin havaittu vain erittäin matalissa eli kryogeenisissä lämpötiloissa, mikä rajoittaa sen tutkimusta ja käytännön käyttöä.

Nyt UCLA:n Samueli School of Engineeringin tutkijat ovat osoittaneet, että fononit, atomien lämpöä kuljettavat kvanttiominaisuuksia sisältävät värähtelyt, voivat kulkea huoneenlämmössä fokusoituja, sädemäisiä reittejä pitkin. Sen sijaan, että lämpö leviäisi tasaisesti kaikkiin suuntiin, se voi liikkua materiaalin kiderakenteen määrittelemiä ohjattuja reittejä pitkin, mikä avaa uusia mahdollisuuksia lämmön virtauksen hallintaan tulevaisuuden elektroniikassa ja kvanttiteknologioissa.

Tiimi osoitti fononien fokusoitumisen huoneenlämmössä booriarsenidissa, kiteisessä puolijohdemateriaalissa, jolla on korkea lämmönjohtavuus. Sen sijaan, että lämpö poistettaisiin leviämisen jälkeen, booriarsenidin kaltaiset materiaalit voisivat mahdollistaa lämmön kulkeutumisen ennalta määrättyjä reittejä pitkin nanomittakaavan tarkkuudella, aivan kuten optiset kuidut ohjaavat valoa.

Tutkimusryhmä osoitti, että lämpövirtauskuviot muuttuvat ennustettavasti kiteen orientaatiosta riippuen. Lisäksi booriarsenidin eri kidetasoilla on erilaiset kuusinkertaiset, kahdeksankertaiset ja nelinkertaiset fokusointikuviot.

Merkittävää on, että tämä kvanttifononien käyttäytyminen voi säilyä yhden mikrometrin ja mahdollisesti jopa kymmenien mikrometrien etäisyyksillä, mikä riittää monille nykyaikaisille elektronisille, fotonisille ja kvanttilaitteille.

"Tämä on perustavanlaatuinen havainto, jonka avulla voimme ajatella lämmönhallintaa uudella tavalla", sanoo Yongjie Hu, tutkimuksen vastaava kirjoittaja. "Mahdollistamalla lämmön ohjaamisen, keskittämisen ja uudelleenjakamisen nanomittakaavan tarkkuudella huoneenlämmössä, löytö luo pohjan kvanttilämpötekniikalle."

Aiemmat fononien fokusoinnin havainnot rajoittuivat pitkälti kryogeenisiin lämpötiloihin, joissa fononit voivat kulkea pitkiä matkoja minimaalisella sironnalla. Huoneenlämmössä fononien on tyypillisesti osoitettu siroavan laajasti ja menettävän nopeasti aaltokoherenssinsa, jolloin lämpö leviää diffuusisesti.

Havaitut lämpökuviot vastasivat teoreettisia laskelmia, mikä vahvisti, että fononit voivat kulkea epätavallisen pitkiä matkoja ennen sirontaa – mikä on keskeinen tekijä, joka mahdollistaa tämän aaltomaisen käyttäytymisen huoneenlämmössä.

Aiheesta aiemmin:

Lämpö virtaa kuin hunaja

Timantti mikropiirien lämmönhallintaan

Kun lämpö virtaa kuin vesi