Ученые впервые наблюдали квантовые тепловые волны при комнатной температуре

Фото из открытых источников

Мы можем сообщить еще об одном знаменательном достижении в области физики: специфический тип квантового поведения в тепловых волнах был обнаружен при комнатной температуре, а не при сверхнизких криогенных температурах, которые обычно требуются.

Квантовое явление называется фокусировкой фононов, при которой колебания на атомном уровне, несущие тепло (квантовые пакеты, известные как фононы), распространяются через неметаллический материал по определенным схемам, подобно лучам от звезды.

Важно отметить, что это отличается от стандартного поведения теплопередающих фононов при комнатной температуре, где тепло равномерно распространяется во всех направлениях (классический, а не квантовый способ распространения).

Это потенциально означает, что мы сможем гораздо точнее контролировать тепло в электронике следующего поколения, работающей на квантовом уровне, и преодолеть прежние узкие места. Эксперимент и наблюдения были опубликованы в журнале Nature Physics группой исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

«Это принципиально важное наблюдение, позволяющее нам по-новому взглянуть на вопросы терморегулирования», — говорит инженер-механик и аэрокосмический специалист Юнцзе Ху. «Благодаря возможности направлять, фокусировать и перераспределять тепло с наноразмерной точностью при комнатной температуре, это открытие закладывает основу для квантовой теплотехники».

Для достижения этой цели исследователи сделали несколько ключевых решений. Во-первых, в качестве материала для нагрева использовали арсенид бора (АРБ) — недавно открытый полупроводник, обладающий исключительно хорошими тепловыми свойствами.

Он также необычен тем, насколько свободно он позволяет фононам распространяться, не сталкиваясь друг с другом. В то же время его кристаллическая структура создает естественные «воронки», по которым фононы могут перемещаться, — обе эти характеристики идеально подходят для подобного эксперимента.

Вторым ключевым решением стало использование наноразмерного золотого зонда, который служил одновременно источником тепла и точным датчиком для картирования распространения тепла, что позволило исследователям создать фокусировку фононов при температуре около 300 кельвинов (примерно 27 °C).

«Эти экзотические, лучеобразные температурные профили, сконцентрированные вдоль направлений симметрии, заметно отличаются от профилей классической теплопередачи», — пишут исследователи. «В более широком смысле, результаты показывают, что волновые экзотические и квантовые явления переноса, которые долгое время считались доступными только в криогенных условиях, могут стать экспериментально доступными при технологически значимых температурах в перспективных материалах».

В результате дальнейшего моделирования и тестирования исследователи определили, что атомная ориентация материала (или трехмерное расположение) может создавать различные лучевые структуры. Это еще одно свидетельство того, что это может дать нам реальный контроль над распространением тепла в материалах.

Было установлено, что фононы распространялись на расстояние 250 нанометров при комнатной температуре, что слишком мало для наблюдения невооруженным глазом, но представляет собой огромное расстояние для такого рода экспериментов – убедительное доказательство подлинной фокусировки фононов.

«Всесторонняя проверка и количественный анализ экспериментов, зависящих от температуры, дополнительно подтверждают надежность, воспроизводимость и наноразмерное разрешение метода», — пишут исследователи в своей опубликованной статье.

Хотя пока это всё лишь основы физики высокого уровня, в будущем эта технология может найти вполне реальное практическое применение, особенно в области электроники и квантовых технологий.

От обычных ноутбуков до квантовых компьютеров, тепло может ограничивать вычислительную мощность и масштабируемость. Хотя проведенное здесь исследование представляет собой конкретную демонстрацию концепции, показанную в тщательно контролируемой экспериментальной установке, оно указывает на будущее, где тепло можно будет более эффективно управлять и контролировать.

Как мы уже видели на примере других квантовых технологий и экспериментов, работа при комнатной температуре является важным порогом, который приближает нас к тому, чтобы сделать вычислительную мощность следующего уровня повседневной реальностью. Теперь задача состоит в том, чтобы распространить ее за пределы лаборатории.

«В перспективе открытие динамики фононных волн в окружающей среде, наряду со способностью направленно контролировать тепловой поток и точно настраивать связь фононов с другими носителями энергии, может открыть новые горизонты за пределами классических подходов к управлению тепловыми процессами», — пишут исследователи.