Vědci poprvé pozorovali kvantové tepelné vlny při pokojové teplotě: Klíč k nové generaci elektroniky

Fyzikům se podařilo poprvé pozorovat specifický typ kvantového chování tepelných vln při pokojové teplotě, což je významný průlom, neboť dosud bylo takové pozorování možné pouze za extrémně nízkých kryogenních teplot.

Fyzikům se podařilo poprvé pozorovat specifický typ kvantového chování tepelných vln při pokojové teplotě, což je významný průlom, neboť dosud bylo takové pozorování možné pouze za extrémně nízkých kryogenních teplot. Jde o takzvanou fokusaci fononů, při níž se vibrace přenášející teplo na atomární úrovni (kvantové balíčky známé jako fonony) šíří nekovovým materiálem ve specifických vzorcích, podobně jako paprsky vycházející z hvězdy.

Tento jev se zásadně liší od standardního chování fononů přenášejících teplo při pokojové teplotě, kdy se teplo šíří rovnoměrně všemi směry klasickým, nikoli kvantovým způsobem. Potenciálně to znamená, že budeme moci mnohem přesněji řídit teplo v elektronice nové generace na kvantové úrovni a překonat dosavadní překážky ve vývoji. Experiment a pozorování provedl tým z Kalifornské univerzity v Los Angeles a výsledky byly publikovány v časopise Nature Physics.

„Jedná se o zásadní pozorování, které nám umožňuje přemýšlet o řízení tepla novým způsobem,“ říká strojní a letecký inženýr Yongjie Hu. „Tím, že umožňuje vést, zaměřovat a přerozdělovat teplo s nanometrovou přesností při pokojové teplotě, objev zakládá základy pro kvantové tepelné inženýrství.“

Pro dosažení tohoto jevu vědci učinili několik klíčových rozhodnutí. Prvním bylo použití arsenidu boru (BAs) jako materiálu k zahřívání. Tento nedávno objevený polovodič je výjimečně dobrým vodičem tepla a je neobvyklý v tom, kolik svobody dává fononům cestovat bez vzájemných kolizí. Jeho krystalická struktura navíc nabízí přirozené „trychtýře“, kterými mohou fonony procházet – obě vlastnosti jsou pro takový experiment ideální. Druhým klíčovým rozhodnutím bylo použití nanometrové zlaté sondy, která fungovala jako zdroj tepla i jako přesný senzor pro mapování šíření tepla, což umožnilo vytvořit fokusaci fononů při teplotě kolem 300 kelvinů (přibližně 27 °C).

„Tyto exotické, paprskovité teplotní profily soustředěné podél směrů symetrie se výrazně liší od těch, které známe z klasického přenosu tepla,“ uvádí vědci ve své publikované práci. „Šířeji řečeno, výsledky naznačují, že exotické a kvantové transportní jevy řízené vlnami, o nichž se dlouho myslelo, že jsou omezeny na kryogenní podmínky, se mohou stát experimentálně dostupnými při technologicky relevantních teplotách v pokročilých materiálech.“

Dalším modelováním a testováním vědci zjistili, že atomární orientace materiálu (nebo 3D uspořádání) může vytvářet různé paprskové vzory. To je další známka toho, že by nám to mohlo poskytnout skutečnou kontrolu nad pohybem tepla v materiálech. Fonony byly pozorovány, jak cestovaly na vzdálenost 250 nanometrů při pokojové teplotě, což je příliš malá vzdálenost na to, aby byla viditelná pouhým okem, ale obrovská vzdálenost pro tento typ experimentu – pevný důkaz skutečné fokusace fononů.