Квантове теплове проміння: як фонони в бориді арсену змінюють уявлення про охолодження електроніки

Замість рівномірного поширення тепла в усі боки (дифузне проведення) команда довела, що фонони здатні рухатися сфокусованими, спрямованими шляхами, які визначаються кристалічною структурою матеріалу — за аналогією з тим, як оптичне волокно спрямовує світло .

Як це спостерігали

Дослідники розробили нанорозмірну методику картування температури на основі підсиленої раманівської спектроскопії для безпосередньої візуалізації теплових потоків .

• У звичайних матеріалах спостерігалися кругові, рівномірні візерунки поширення тепла — типова картина звичайної дифузії .
• У бориді арсену зафіксували яскраво виражені променеподібні температурні візерунки, що підтверджує спрямованість тепла вздовж певних кристалографічних напрямків .
• Характер теплових візерунків передбачувано змінювався з орієнтацією кристала: різні кристалічні площини BAs демонстрували чіткі симетрії фокусування: шестикратну, восьмикратну та чотирикратну .
• Квантова поведінка фононів зберігалася на відстані одного мікрометра, а потенційно — до кількох десятків мікрометрів, що є достатнім для сучасних електронних, фотонних та квантових пристроїв .
• Експериментальні результати добре узгоджувалися з теоретичними розрахунками з перших принципів, що підтверджує: незвично слабке розсіювання фононів у BAs уможливлює далекий хвильовий транспорт за кімнатної температури .

Наслідки для теплового менеджменту

Електроніка та AI-обладнання — Перегрів є головним обмеженням продуктивності, надійності та масштабованості мікроелектроніки та апаратного забезпечення штучного інтелекту. Відкриття дозволяє спрямовувати, фокусувати та перерозподіляти тепло з нанорозмірною точністю за кімнатної температури, що відкриває шлях до «квантової термоінженерії» — проєктування заздалегідь визначених теплових маршрутів у чипах замість пасивного відведення тепла після його розповсюдження .

Квантові пристрої — Можливість контролювати взаємодію фононів з електронами та іншими носіями енергії на квантовому рівні може сприяти прогресу в квантовій обробці інформації та квантовому зондуванні, де вирішальним є точний контроль теплового оточення .

Інші застосування — Відкриття також може бути корисним для теплового менеджменту в аерокосмічних системах, фотонних пристроях та перспективній напівпровідниковій упаковці, де надвисока теплопровідність бориду арсену (раніше продемонстрована групою Ху) тепер може поєднуватися з керованим спрямованим тепловідведенням .

Деталі дослідження: Опубліковано 23 липня 2026 року в Nature Physics . Автори: Ман Лі, Хуань Ву, Цзихао Цінь, Чуаньцзінь Су та Хуу Зуй Нгуєн (теперішні/колишні аспіранти UCLA) разом з Йонцзе Ху . Фінансування: Міністерство енергетики США, NSF та NIH .