Elektroniklerin geliştirilmesi için katı malzemeler içinde ısıyı verimli bir şekilde yönetmek çok önemlidir. Şimdiye kadar, ısı taşınmasının dalga tabanlı bir formu olan fonon odaklanması, yalnızca çok düşük kriyojenik sıcaklıkta gözlemlenmiştir. UCLA Mühendislik Okulu'ndan araştırmacılar, fononların, ısıyı taşıyan ve kuantum davranış sergileyen atomik titreşimlerin, oda sıcaklığında bir malzeme içinde odaklanmış, ışın benzeri yollar boyunca hareket edebileceğini gösterdi.
Çalışma, Nature Physics dergisinde yayımlandı ve UCLA Samueli'den Yongjie Hu tarafından yönetildi. Ekibi, oda sıcaklığında fonon odaklanması gösteren bor arsenit üzerinde bir çalışma yaptı. Bor arsenit, yüksek termal iletkenliği ile bilinen bir kristal yarı iletken malzemedir.
Bu malzeme, mühendislerin ısıyı nanoscale doğrulukla planlanan yollar boyunca yönlendirmesine olanak tanıyabilir. Bu süreç, optik fiberlerin ışığı kontrol edilen bir yol boyunca kanalize etmesine benzer.
Araştırmacılar, nanoscale'de sıcaklığı haritalamak için bir teknik geliştirdi. Geleneksel malzemelerde ısı, dairesel desenlerle yayılır, bu da normal difüzyon ısı iletimine uyumlu bir sonuçtur. Bor arsenit ise çok farklı bir sonuç üretti. Sıcaklık haritaları, kristal içinde belirli yönlerle hizalı, açık ışın benzeri desenler gösterdi.
Kristal Yapısı Isı Akışını Şekillendirir
Araştırmacılar, ısı akışının kristal yönünün değişmesiyle öngörülebilir şekilde değiştiğini buldu. Bor arsenit'in farklı düzlemleri altıgen, sekizgen ve dörtgen odaklanma desenleri üretti.
Bu kuantum fonon davranışı, bir mikrometre uzaklıklarda tespit edilebilir ve on mikrometre uzaklıklara kadar uzanabilir. Bu menzil, birçok modern elektronik, fotanik ve kuantum cihazında faydalı olabilir.
"Bu, termal yönetim hakkında yeni bir şekilde düşünmemizi sağlayan temel bir gözlem", dedi Hu, çalışmanın entsprech yazarı ve UCLA'daki California NanoSystems Institute'un bir üyesi. "Isıyı yönlendirmeyi, odaklamayı ve nanoscale doğrulukla oda sıcaklığında yeniden dağıtmayı sağlayarak, keşif, kuantum termal mühendisliği için bir temel oluşturur."
Yapay Zeka ve Kuantum Cihazları için Potansiyel Faydalar
Isıyı atomik düzeyde kontrol edebilme, yapay zeka donanımının, mikroelektronik cihazların, havacılık sistemlerinin ve diğer elektroniklerin büyük sınırlarını ele alabilir. Aşırı ısınma, bu teknolojilerin tümünde performans, güvenilirlik ve ölçeklenebilirliği azaltabilir.
Hu, keşfin, ayrıca fononların elektronlar ve diğer enerji taşıyıcılarla nasıl etkileşime girebileceğini ayarlamayı da mümkün kılacağını söyledi. Bu khảbilite, gelecekte kuantum bilgi sistemleri ve algılama teknolojilerindeki ilerlemeleri destekleyebilir.
Önceki gözlemler, genellikle birkaç derece üzerindeki mutlak sıfır sıcaklığına yakındı. Bu koşullarda, fononlar uzun mesafeler boyunca seyahat edebilir ve çok fazla saçılma yaşamaz. Oda sıcaklığında, fononlar genellikle daha sık saçılır ve dalga tabanlı ulaşımı gerekli olan koheransı nhanh chóng kaybeder, bu da ısıyı normal difüzyon yoluyla yaymasına neden olur.
Neden Bor Arsenit Farklı
Yeni bulgular, Hu'nun 2018'de bor arsenit keşfine dayanıyor. O günden beri, grubu, bor arsenit içeren yüksek performanslı termal arayüzler ve galliyum nitrit cihazları geliştirdi. Bu sonuçlar, malzemenin geleceğin yarı iletken sistemleri için potansiyelini vurguladı.
Bor arsenit, anormal derecede zayıf fonon saçılmasına uğrar, bu da oda sıcaklığında dalga tabanlı ısı taşınmasını mümkün kılar.
Deneylerde gözlemlenen ısı desenleri, teorik hesaplamalarla yakın bir şekilde uyumlu. Bu uyum, malzeme içindeki fononların olağanüstü uzun mesafeler boyunca seyahat edebileceğini ve bu nedenle oda sıcaklığında dalga tabanlı davranışın sürmesine olanak tanıdığını doğruladı.
Çalışmanın diğer yazarları arasında Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su ve Huu Duy Nguyen yer alıyor, hepsi de UCLA Samueli'deki Hu'nun H Lab'ında mevcut veya eski lisansüstü öğrenciler.
Fonlar, U.S. Department of Energy, National Science Foundation, National Institute of General Medical Sciences ve Parag ve Falguni Patel'den bir hibe fonundan geldi. Hesaplamalı kaynaklar, UCLA Institute for Digital Research and Education'un Araştırma Teknoloji Grubu ve Pittsburgh Supercomputing Center'deki Bridges 2 tarafından sağlandı.
