UCLAエンジニアチーム、室温での「量子熱波」を観測

今回の実験では、熱が四方八方に均一に広がる（拡散伝導）のではなく、結晶構造によって定義された特定の経路に沿って、まるで光ファイバーが光を導くように、フォノンが集束・ガイドされて進むことが示されました。

観測方法

研究チームは、先端ラマン分光法（tip-enhanced Raman spectroscopy）に基づくナノスケールの温度マッピング技術を独自開発し、熱流のパターンを直接可視化することに成功しました。

• 従来の材料では、熱は円形に均一に広がる、通常の拡散現象に合致するパターンが観測されました。
• 一方、ホウ化ヒ素では、明確な光線状の温度パターンが観測され、熱が結晶の特定の方向に沿って導かれていることが確認されました。
• この熱流パターンは結晶の方位によって変化し、BAsの異なる結晶面では、6重、8重、4重の対称性を持つ明確なフォーカシングパターンが確認されました。
• この量子的なフォノンの挙動は、1マイクロメートル、場合によっては数十マイクロメートルもの距離にわたって持続することが確認されました。これは現代の電子デバイス、フォトニックデバイス、量子デバイスのサイズに十分対応できる距離です。
• 実験結果は第一原理計算による理論シミュレーションと非常によく一致し、BAsにおける異常に弱いフォノン散乱が、室温での長距離波動的熱輸送を可能にしていることが確認されました。

熱管理への影響

エレクトロニクスとAIハードウェア — 過熱は、マイクロエレクトロニクスやAIハードウェアにおいて、性能、信頼性、拡張性を制限する最大のボトルネックの一つです。室温で熱をナノスケールの精度で誘導、集束、再配分できるようになったことで、「量子熱工学」の可能性が開かれました。これは、熱が広がってから大型のヒートシンクで対処するのではなく、チップ内部であらかじめ熱の通り道を設計することを意味します。

量子デバイス — フォノンと電子やその他のエネルギーキャリアとの相互作用を量子レベルで制御できるようになれば、精密な熱環境制御が不可欠な量子情報処理や量子センシング技術の進歩につながる可能性があります。

その他の応用分野 — この発見は、航空宇宙システム、フォトニックデバイス、次世代半導体パッケージングにおける熱管理にも恩恵をもたらす可能性があります。Hu教授のグループは以前、BAsの超高熱伝導率（1300 W/mK）を実証しており、今回の発見により、この高い熱伝導率と方向性のある熱流制御を組み合わせることが可能になります。

研究の詳細： 本研究は2026年7月23日付けでNature Physicsに掲載されました。共著者にはMan Li氏、Huan Wu氏、Zihao Qin氏、Chuanjin Su氏、Huu Duy Nguyen氏（現在または元UCLA大学院生）、およびYongjie Hu教授が含まれます。研究は米国エネルギー省（DOE）、全米科学財団（NSF）、および国立衛生研究所（NIH）の助成を受けて行われました。