Welle statt Diffusion: Wie UCLA-Ingenieure Wärme in Halbleitern bändigen

Statt sich gleichmäßig in alle Richtungen auszubreiten (diffusiver Transport), konnten die Forscher zeigen, dass Phononen auf fokussierten, durch die Kristallstruktur vorgegebenen Bahnen wandern – analog zur Führung von Licht in Glasfasern .

Wie sie es beobachtet haben

Die Forscher entwickelten eine nanoskalige Temperaturkartierungstechnik auf Basis der spitzenverstärkten Raman-Spektroskopie, um die Wärmeflussmuster direkt sichtbar zu machen .

• In herkömmlichen Materialien beobachteten sie kreisförmige, gleichmäßige Wärmeverteilungen, die der normalen Diffusion entsprechen .
• In Borarsenid zeigten sich dagegen auffällige strahlenartige Temperaturmuster, die belegen, dass die Wärme entlang bestimmter Kristallrichtungen gelenkt wird .
• Die Muster änderten sich vorhersagbar mit der Kristallorientierung: Für verschiedene Kristallebenen von BAs fanden die Forscher sechsfache, achtfache und vierfache Fokussierungssymmetrien .
• Das Quantenverhalten der Phononen blieb über Distanzen von einem Mikrometer und möglicherweise bis zu mehreren zehn Mikrometern erhalten – ausreichend für moderne elektronische, photonische und Quantenbauteile .
• Die experimentellen Ergebnisse stimmen sehr gut mit theoretischen Berechnungen aus ersten Prinzipien überein, was bestätigt, dass die ungewöhnlich schwache Phononenstreuung in BAs den wellenartigen Transport über weite Strecken bei Raumtemperatur ermöglicht .

Bedeutung für das Wärmemanagement

Elektronik und KI-Hardware – Überhitzung ist ein zentrales Hindernis für Leistung, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit in Mikroelektronik und KI-Hardware. Die Entdeckung, dass Wärme bei Raumtemperatur mit nanoskaliger Präzision gelenkt, fokussiert und umverteilt werden kann, eröffnet die Möglichkeit des „Quanten-Wärmeengineerings“: Statt Wärme erst nach ihrer Ausbreitung mit massiven Kühlkörpern abzuführen, könnten in Chips vorab definierte Wärmeleitwege angelegt werden .

Quantengeräte – Die Fähigkeit, Phononen-Wechselwirkungen mit Elektronen und anderen Energieträgern auf Quantenebene zu kontrollieren, könnte Fortschritte in der Quanteninformationsverarbeitung und Quantensensorik ermöglichen, wo eine präzise thermische Umgebungskontrolle entscheidend ist .

Weitere Anwendungen – Die Entdeckung könnte auch das Wärmemanagement in Luft- und Raumfahrtsystemen, photonischen Bauteilen und der nächsten Generation von Halbleitergehäusen verbessern, wo die hohe Wärmeleitfähigkeit von Borarsenid (bereits früher von Hus Gruppe nachgewiesen) nun mit gerichteter Wärmeflusskontrolle kombiniert werden kann .

Studiendetails: Veröffentlicht am 23. Juli 2026 in Nature Physics . Autoren sind Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su und Huu Duy Nguyen (damalige/aktuelle Doktoranden der UCLA) sowie Yongjie Hu . Finanziert durch das US-Energieministerium (DOE), die National Science Foundation (NSF) und die National Institutes of Health (NIH) .