מדעני UCLA גילו: חום יכול לנוע בקרניים ממוקדות כמו אור — אפילו בטמפרטורת החדר

מה גילו מהנדסי UCLA?

צוות בראשות פרופסור יונג'י הו (Yongjie Hu) מבית הספר להנדסה ע״ש סמואלי באוניברסיטת UCLA הוכיח מיקוד פונונים (phonon focusing) — תופעה של הולכת חום דמוית-גל וקרן — בטמפרטורת החדר במוליך למחצה בשם בור ארסניד (BAs) . בעבר, מיקוד פונונים נצפה רק בטמפרטורות קריוגניות (קרוב לאפס המוחלט) מכיוון שפונונים בדרך כלל מתפזרים יותר מדי בטמפרטורת החדר ושומרים על קוהרנטיות גלית .

במקום שחום יתפזר באופן אחיד לכל הכיוונים (הולכה דיפוזיבית), הצוות הראה שפונונים יכולים לנוע בנתיבים ממוקדים ומוגדרים על ידי מבנה הגביש של החומר, בדומה לאופן שבו סיבים אופטיים מנחים אור .

כיצד הם צפו בכך?

החוקרים פיתחו שיטת מיפוי טמפרטורה ננומטרית המבוססת על ספקטרוסקופיית ראמאן משופרת קצה (tip-enhanced Raman spectroscopy) כדי לדמיין ישירות את דפוסי זרימת החום .

• בחומרים קונבנציונליים, הם צפו בדפוסי פיזור חום מעגליים ואחידים, התואמים דיפוזיה רגילה .
• בבור ארסניד, הם צפו בדפוסי טמפרטורה דמויי-קרן בולטים, המאשרים כי חום מונחה לאורך כיווני גביש ספציפיים .
• דפוסי זרימת החום השתנו באופן צפוי עם כיוון הגביש: מישורי גביש שונים של BAs הציגו סימטריות מיקוד של פי שש, פי שמונה ופי ארבע .
• ההתנהגות הקוונטית של הפונונים נשמרה לאורך מרחקים של מיקרומטר אחד ועד לעשרות מיקרומטרים — מספיק עבור מכשירים אלקטרוניים, פוטוניים וקוונטיים מודרניים .
• התוצאות הניסיוניות תאמו בדיוק חישובים תאורטיים מעקרונות ראשונים (first-principles), המאשרים כי פיזור הפונונים החלש באופן יוצא דופן של BAs מאפשר הובלה גלית למרחקים ארוכים בטמפרטורת החדר .

השלכות על ניהול תרמי

אלקטרוניקה וחומרת AI — התחממות יתר היא צוואר בקבוק מרכזי המגביל ביצועים, אמינות ויכולת הרחבה במיקרואלקטרוניקה ובחומרת AI. על ידי מתן אפשרות להנחות, למקד ולחלק מחדש חום בדיוק ננומטרי בטמפרטורת החדר, תגלית זו פותחת את האפשרות ל"הנדסה תרמית קוונטית" — תכנון מסלולי חום מראש בשבבים במקום להסתמך על גופי קירור גסים לאחר שהחום כבר התפזר .

מכשירים קוונטיים — היכולת לשלוט באינטראקציות של פונונים עם אלקטרונים ועם נושאי אנרגיה אחרים ברמה הקוונטית עשויה לאפשר התקדמות בעיבוד מידע קוונטי ובחישה קוונטית, תחומים שבהם שליטה מדויקת בסביבה התרמית היא קריטית .

יישומים רחבים יותר — התגלית עשויה להועיל גם לניהול תרמי במערכות תעופה וחלל, מכשירים פוטוניים ואריזת מוליכים למחצה מהדור הבא, שם ניתן כעת לשלב את המוליכות התרמית הגבוהה של בור ארסניד (שהודגמה בעבר על ידי קבוצתו של הו) עם שליטה בזרימת חום כיוונית .

פרטי המחקר: פורסם ב-23 ביולי 2026 בכתב העת Nature Physics . המחברים כוללים את Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su ו- Huu Duy Nguyen (סטודנטים נוכחיים/לשעבר באוניברסיטת UCLA) לצד Yongjie Hu . מומן על ידי משרד האנרגיה האמריקאי, NSF ו- NIH .