Открытие направленного теплового потока в арсениде бора: путь к «квантовой термоинженерии»

Вместо равномерного распространения тепла во всех направлениях (диффузионная теплопроводность) команда показала, что фононы могут двигаться по сфокусированным, направленным траекториям, заданным кристаллической структурой материала, — это аналогично тому, как оптические волокна направляют свет .

Как проводилось наблюдение

Исследователи разработали нанометровый метод картирования температуры на основе усиленной рамановской спектроскопии (tip-enhanced Raman spectroscopy), чтобы напрямую визуализировать картину теплового потока .

• В обычных материалах наблюдались круговые однородные паттерны распространения тепла, характерные для обычной диффузии .
• В арсениде бора были зафиксированы ярко выраженные лучевые температурные картины, подтверждающие, что тепло направляется вдоль определенных кристаллографических направлений .
• Характер тепловых потоков предсказуемо менялся в зависимости от ориентации кристалла: различные кристаллографические плоскости BAs демонстрировали отчетливые симметрии фокусировки: шести-, восьми- и четырехкратную .
• Квантовое фононное поведение сохранялось на расстояниях до одного микрона и, потенциально, до десятков микрон — этого достаточно для современных электронных, фотонных и квантовых устройств .
• Экспериментальные результаты хорошо совпали с теоретическими расчетами из первых принципов, что подтверждает: аномально слабое рассеяние фононов в BAs обеспечивает дальний волновой перенос при комнатной температуре .

Значение для управления теплом

Электроника и аппаратура для ИИ — перегрев остается одним из главных факторов, ограничивающих производительность, надежность и масштабируемость микроэлектроники и ИИ-ускорителей. Возможность направлять, фокусировать и перераспределять тепло с нанометровой точностью при комнатной температуре открывает путь к «квантовой термоинженерии»: проектированию заранее заданных тепловых маршрутов внутри чипов, а не использованию громоздких радиаторов после того, как тепло уже распространилось .

Квантовые устройства — способность управлять взаимодействием фононов с электронами и другими носителями энергии на квантовом уровне может способствовать прогрессу в области квантовой обработки информации и квантовых сенсоров, где критически важен точный контроль теплового окружения .

Более широкие применения — открытие также может быть полезно для терморегуляции в аэрокосмических системах, фотонных устройствах и полупроводниковых корпусах нового поколения, где высокая теплопроводность арсенида бора (ранее продемонстрированная группой Ху) теперь может быть дополнена контролем направленного теплового потока .

Детали исследования: Опубликовано 23 июля 2026 года в журнале Nature Physics . Авторы: Ман Ли, Хуан Ву, Цзыхао Цинь, Чуаньцзинь Су и Хуу Зуй Нгуен (аспиранты/выпускники UCLA) под руководством Юнцзе Ху . Финансирование — Министерство энергетики США, Национальный научный фонд (NSF) и Национальные институты здравоохранения (NIH) .