Doorbraak in warmtetransport: phononen laten zich sturen als lichtstralen

In plaats van dat warmte zich gelijkmatig in alle richtingen verspreidt (diffusief transport), toonde het team aan dat phononen zich kunnen verplaatsen in gefocusseerde, geleide banen die worden bepaald door de kristalstructuur van het materiaal – analoog aan hoe glasvezels licht geleiden .

Hoe ze het hebben waargenomen

De onderzoekers ontwikkelden een nanoscopische temperatuurmeettechniek op basis van tip-versterkte Ramanspectroscopie om warmtestroompatronen direct zichtbaar te maken .

• In conventionele materialen zagen ze cirkelvormige, uniforme warmtespreidingspatronen die overeenkomen met gewone diffusie .
• In boorarsenide observeerden ze opvallende straalachtige temperatuurpatronen, wat bevestigt dat warmte langs specifieke kristalrichtingen werd geleid .
• De warmtestroompatronen veranderden voorspelbaar met de kristaloriëntatie: verschillende kristalvlakken van BAs vertoonden duidelijke zes-, acht- en viervoudige focusseringssymmetrieën .
• Het quantum-gedrag van phononen hield aan over afstanden van één micrometer en mogelijk tot tientallen micrometers – voldoende voor moderne elektronische, fotonische en quantumapparaten .
• De experimentele resultaten kwamen nauw overeen met eerste-principes theoretische berekeningen, wat bevestigt dat de ongewoon zwakke phononverstrooiing in BAs langdurig golfachtig transport bij kamertemperatuur mogelijk maakt .

Implicaties voor warmtebeheer

Elektronica en AI-hardware – Oververhitting is een belangrijke bottleneck die prestaties, betrouwbaarheid en schaalbaarheid in micro-elektronica en AI-hardware beperkt. Door warmte bij kamertemperatuur met nanoscopische precisie te geleiden, te focusseren en te herverdelen, opent deze ontdekking de mogelijkheid van 'quantum thermal engineering': het ontwerpen van vooraf bepaalde warmteroutes in chips, in plaats van achteraf koelen met koellichamen nadat de warmte zich al heeft verspreid .

Quantumapparaten – Het vermogen om phonon-interacties met elektronen en andere energiedragers op quantumniveau te beheersen, kan vooruitgang mogelijk maken in quantuminformatieverwerking en quantumdetectie, waar nauwkeurige beheersing van de thermische omgeving cruciaal is .

Bredere toepassingen – De ontdekking kan ook het warmtebeheer ten goede komen in lucht- en ruimtevaartsystemen, fotonische apparaten en halfgeleiderverpakkingen van de volgende generatie, waarbij de hoge thermische geleidbaarheid van boorarsenide (eerder aangetoond door Hu's groep) nu kan worden gecombineerd met directionele warmtestroombeheersing .

Studiedetails: Gepubliceerd op 23 juli 2026 in Nature Physics . Auteurs zijn onder andere Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su en Huu Duy Nguyen (huidige/voormalige UCLA-promovendi) samen met Yongjie Hu . Gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, NSF en NIH .