Kỹ sư UCLA khám phá hiện tượng dẫn nhiệt lượng tử ở nhiệt độ phòng, mở ra tương lai cho tản nhiệt trong chip AI và thiết bị lượng tử

Thay vì nhiệt lan tỏa đều theo mọi hướng (dẫn nhiệt khuếch tán), nhóm nghiên cứu cho thấy các phonon có thể di chuyển theo những đường dẫn tập trung, được định hướng bởi cấu trúc tinh thể của vật liệu, tương tự như cách sợi quang dẫn ánh sáng .

Cách họ quan sát hiện tượng

Các nhà nghiên cứu đã phát triển một kỹ thuật lập bản đồ nhiệt độ ở cấp độ nano dựa trên quang phổ Raman tăng cường đầu dò để trực tiếp quan sát các mô hình dòng nhiệt .

• Ở vật liệu thông thường, họ quan sát thấy các mô hình nhiệt lan tỏa hình tròn, đồng nhất – phù hợp với khuếch tán thông thường .
• Ở boron arsenide, họ quan sát thấy các mô hình nhiệt dạng tia sắc nét một cách đáng kinh ngạc, xác nhận rằng nhiệt đang được dẫn dọc theo các hướng tinh thể cụ thể .
• Các mô hình dòng nhiệt thay đổi có thể dự đoán được theo hướng tinh thể: các mặt tinh thể khác nhau của BAs thể hiện những đối xứng tập trung 6 cánh, 8 cánh và 4 cánh riêng biệt .
• Hành vi lượng tử của phonon tồn tại trong khoảng cách 1 micromet và có khả năng lên đến hàng chục micromet – đủ dùng cho các thiết bị điện tử, quang tử và lượng tử hiện đại .
• Kết quả thí nghiệm khớp chặt chẽ với tính toán lý thuyết từ nguyên lý đầu tiên, xác nhận rằng sự tán xạ phonon yếu bất thường của BAs cho phép vận chuyển sóng đường dài ở nhiệt độ phòng .

Ý nghĩa đối với quản lý nhiệt

Điện tử và phần cứng AI — Quá nhiệt là một nút thắt cổ chai lớn, hạn chế hiệu suất, độ tin cậy và khả năng mở rộng của vi điện tử và phần cứng AI. Bằng cách cho phép nhiệt được dẫn hướng, tập trung và phân phối lại với độ chính xác nano ở nhiệt độ phòng, khám phá này mở ra khả năng về "kỹ thuật nhiệt lượng tử" — thiết kế các đường dẫn nhiệt định sẵn trong chip thay vì chỉ dựa vào tản nhiệt sau khi nhiệt đã lan tỏa .

Thiết bị lượng tử — Khả năng kiểm soát tương tác của phonon với electron và các hạt tải năng lượng khác ở cấp độ lượng tử có thể thúc đẩy những tiến bộ trong xử lý thông tin lượng tử và cảm biến lượng tử, nơi việc kiểm soát chính xác môi trường nhiệt là rất quan trọng .

Ứng dụng rộng rãi hơn — Phát hiện này cũng có thể mang lại lợi ích cho quản lý nhiệt trong hệ thống hàng không vũ trụ, thiết bị quang tử và đóng gói chất bán dẫn thế hệ tiếp theo, nơi độ dẫn nhiệt cao của boron arsenide (đã được nhóm của Hu chứng minh trước đây) giờ đây có thể kết hợp với khả năng kiểm soát dòng nhiệt định hướng .

Chi tiết nghiên cứu: Được công bố ngày 23 tháng 7 năm 2026, trên tạp chí Nature Physics . Các tác giả bao gồm Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su và Huu Duy Nguyen (các nghiên cứu sinh hiện tại/trước đây của UCLA) cùng với Yongjie Hu . Được tài trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, NSF và NIH .