ثورة في إدارة الحرارة: اكتشاف توجيه الفونونات في درجة حرارة الغرفة يغير قواعد اللعبة

بدلاً من انتشار الحرارة بشكل منتظم في جميع الاتجاهات (وهو ما يعرف بالتوصيل الانتثاري)، أظهر الفريق أن الفونونات يمكنها السفر في مسارات محددة ومركزة تحددها البنية البلورية للمادة، على غرار الطريقة التي توجه بها الألياف البصرية الضوء .

كيف تمكنوا من رصد هذه الظاهرة؟

طور الباحثون تقنية متطورة لرسم خرائط الحرارة على المقياس النانوي، تعتمد على مطيافية رامان المحسّنة بطرف مجهري (tip-enhanced Raman spectroscopy)، وذلك لتصوير أنماط تدفق الحرارة بشكل مباشر .

• في المواد التقليدية، لاحظ الفريق أنماطًا دائرية ومنتظمة لانتشار الحرارة، تتوافق مع الانتشار العادي (الانتثاري) .
• في مادة زرنيخيد البورون، لاحظوا أنماطًا حرارية مذهلة تشبه الأشعة، مما يؤكد أن الحرارة كانت تُوجه على طول اتجاهات بلورية محددة .
• تغيرت أنماط تدفق الحرارة بشكل متوقع مع تغيير اتجاه البلورة؛ حيث أظهرت مستويات بلورية مختلفة لمادة BAs تماثلات تركيز ستة أضعاف وثمانية أضعاف وأربعة أضعاف .
• استمرت ظاهرة السلوك الكمومي للفونونات على مسافات تصل إلى ميكرومتر واحد وربما تصل إلى عشرات الميكرومترات — وهي مسافات كافية لتطبيقات الأجهزة الإلكترونية والضوئية والكمومية الحديثة .
• تطابقت النتائج التجريبية بشكل مذهل مع الحسابات النظرية الدقيقة (first-principles calculations)، مما يؤكد أن ضعف التشتت (تبعثر الفونونات) في مادة BAs هو ما يسمح بنقل الحرارة الموجي لمسافات طويلة في درجة حرارة الغرفة .

الانعكاسات والتطبيقات المحتملة

الإلكترونيات ومعالجات الذكاء الاصطناعي — يُعتبر ارتفاع الحرارة أحد أكبر العوائق التي تحد من أداء وموثوقية وقابلية التوسع في الأجهزة الإلكترونية الدقيقة ورقائق الذكاء الاصطناعي. من خلال تمكين توجيه الحرارة وتركيزها وإعادة توزيعها بدقة نانومترية في درجة حرارة الغرفة، يفتح هذا الاكتشاف الباب أمام ما يسمى بـ "الهندسة الحرارية الكمومية" (quantum thermal engineering) — أي تصميم مسارات حرارة محددة سلفًا داخل الرقائق، بدلاً من الاعتماد على مشتتات حرارية ضخمة بعد انتشار الحرارة بالفعل .

الأجهزة الكمومية — القدرة على التحكم في تفاعلات الفونونات مع الإلكترونات وناقلات الطاقة الأخرى على المستوى الكمومي قد تتيح تقدمًا كبيرًا في تقنيات معالجة المعلومات الكمومية والاستشعار الكمومي، حيث يكون التحكم الدقيق في البيئة الحرارية أمرًا بالغ الأهمية .

تطبيقات أوسع — يمكن أن يفيد هذا الاكتشاف إدارة الحرارة في أنظمة الفضاء، الأجهزة الضوئية (فوتونية)، وتغليف أشباه الموصلات من الجيل التالي، حيث يمكن الآن الجمع بين الموصلية الحرارية العالية لمادة زرنيخيد البورون (والتي أثبتها فريق Hu سابقًا ) مع القدرة على التحكم في اتجاه تدفق الحرارة .

تفاصيل الدراسة: نُشرت في 23 يوليو 2026 في مجلة Nature Physics . المؤلفون هم Man Li، Huan Wu، Zihao Qin، Chuanjin Su، وHuu Duy Nguyen (طلاب دراسات عليا حاليون وسابقون في UCLA) إلى جانب البروفيسور Yongjie Hu . تم تمويل البحث من قبل وزارة الطاقة الأمريكية، المؤسسة الوطنية للعلوم (NSF)، والمعاهد الوطنية للصحة (NIH) .