Průlom v řízení tepla: Fonony se při pokojové teplotě chovají jako světlo

Místo aby se teplo šířilo rovnoměrně všemi směry (difuzní vedení), ukázal tým, že fonony mohou cestovat po soustředěných, vedených drahách definovaných krystalovou strukturou materiálu – podobně jako optická vlákna vedou světlo .

Jak to pozorovali

Výzkumníci vyvinuli nanorozměrnou metodu mapování teploty založenou na Ramanově spektroskopii se špičkou hrotu (tip-enhanced Raman spectroscopy), aby přímo vizualizovali obrazce šíření tepla .

• U běžných materiálů pozorovali kruhové, rovnoměrné obrazce šíření tepla odpovídající běžné difuzi .
• U borid arsenidu pozorovali výrazné paprskovité teplotní obrazce, což potvrdilo, že teplo je vedeno podél konkrétních krystalových směrů .
• Obrazce toku tepla se předvídatelně měnily s orientací krystalu: různé krystalové roviny BAs vykazovaly zřetelné šestinásobné, osminásobné a čtyřnásobné symetrie fokusace .
• Kvantové chování fononů přetrvávalo na vzdálenost jednoho mikrometru a potenciálně až desítek mikrometrů – což je dostatečné pro moderní elektronická, fotonická a kvantová zařízení .
• Experimentální výsledky se těsně shodovaly s teoretickými výpočty z prvních principů, což potvrzuje, že neobvykle slabý rozptyl fononů v BAs umožňuje dlouhovlnný vlnový transport při pokojové teplotě .

Důsledky pro řízení tepla

Elektronika a AI hardware – Přehřívání je hlavní překážkou omezující výkon, spolehlivost a škálovatelnost mikroelektroniky a AI čipů. Tento objev umožňuje vést, soustředit a redistribuovat teplo s nanometrovou přesností při pokojové teplotě, čímž otevírá možnost „kvantového tepelného inženýrství“ – navrhování předem daných teplotních tras v čipech místo spoléhání se na objemné chladiče až poté, co se teplo rozptýlí .

Kvantová zařízení – Schopnost řídit interakce fononů s elektrony a dalšími nosiči energie na kvantové úrovni by mohla umožnit pokrok v kvantovém zpracování informací a kvantovém snímání, kde je přesná kontrola tepelného prostředí klíčová .

Širší aplikace – Objev může být přínosný také pro tepelné řízení v leteckých systémech, fotonických zařízeních a moderním polovodičovém balení, kde lze vysokou tepelnou vodivost borid arsenidu (dříve demonstrovanou Huovou skupinou) nyní kombinovat s řízením směrového toku tepla .

Podrobnosti studie: Publikováno 23. července 2026 v časopise Nature Physics . Autory jsou Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su a Huu Duy Nguyen (současní/bývalí doktorandi UCLA) spolu s Yongjie Huem . Financováno americkým ministerstvem energetiky, NSF a NIH .