Квантовое распространение тепла меняет представления о классической физике
В классической физике тепло распределяется равномерно во всех направлениях, что является основой для охлаждения. Однако в квантовом мире ситуация иная: тепло может распространяться волнами в строго определённом направлении. Это явление было зафиксировано при криогенном охлаждении, но его применение на практике ограничено. Теперь учёные впервые зафиксировали сфокусированное квантовое распространение тепла при комнатной температуре, что открывает новые возможности. Об этом пишет 3DNews.
В современной физике за перенос тепла отвечают квазичастицы, называемые фононами. Эти кванты колебаний кристаллической решётки переносят тепловую энергию. При температуре 300 K фононы в обычных материалах постоянно рассеиваются на других фононах, дефектах и границах кристаллов, что приводит к переходу от классического волнового распространения к хаотичному диффузионному. Для изучения волновых свойств тепла исследователи выбрали арсенид бора, обладающий необычно низким уровнем рассеяния, что позволяет фононам сохранять свои волновые характеристики на больших расстояниях.
Учёные разработали метод наноразмерного картирования температуры для обнаружения эффекта. В обычных материалах тепловое распространение создаёт круговые паттерны, тогда как в кристалле арсенида бора наблюдаются чёткие лучеобразные структуры. Геометрия этих структур зависит от ориентации кристаллической решётки, что приводит к появлению четырёх-, шести- и восьмилучевых изображений. Экспериментальные данные совпали с теоретическими предсказаниями. Для получения таких чётких изображений в материал был внедрён нагреватель из золотой нанопроволоки, который также использовался как детектор.
Учёные впервые наблюдали волновое сфокусированное распространение тепла при температуре 27 °C. Хотя это пока остаётся областью высоких технологий, результаты показывают, что управление теплом возможно в обычных условиях. Исследователи отмечают, что практическое применение открытия связано с управлением теплом в электронике. Если удастся направлять движение фононов с помощью структуры материала, тепло можно будет не только рассеивать, но и направлять к определённым участкам или отводить от критически важных компонентов. Это крайне важно для охлаждения мощных чипов, AI-ускорителей и будущих квантовых компьютеров.
