高效管理固体材料内部的热量对于开发更快速、更可靠的电子设备至关重要。到目前为止，只有在极低的低温下观察到了一种名为声子聚焦的基于波动的热传输形式，这使得研究变得困难并限制了其潜在应用。加州大学洛杉矶分校Samueli工程学院的研究人员现在已经表明，声子——携带热量并显示出量子行为的原子振动——可以在室温下以集中、光线状的路径在材料中移动。热量可以沿着由晶体结构决定的路线流动，而不是均匀向各个方向扩散。该发现可能会导致在先进电子技术和量子技术中以新的方式控制热量。通过砷化硼引导热量 该研究发表在《自然物理学》上，由加州大学洛杉矶分校Samueli学院的机械与航空航天工程教授胡永杰领导。他的团队在热导率高的晶体半导体砷化硼中观察到了室温下的声子聚焦。像砷化硼这样的材料可能使工程师能够以纳米尺度的精确度引导热量沿着计划的路径流动，而不是等待其扩散后再尝试去除。这个过程在原理上类似于光纤沿着受控路径引导光线。为了观察这种行为，研究人员创建了一种用于在纳米尺度下映射温度的技术。在传统材料中，热量以圆形模式向外扩散，这与正常的扩散热导一致。而砷化硼则产生了非常不同的结果。温度图揭示了与晶体中某些特定方向对齐的清晰光线形状的图案。 晶体结构塑造热流 研究人员还发现，当晶体的方向发生变化时，热流模式也以可预测的方式发生变化。不同的砷化硼晶面产生了六倍、八倍和四倍的聚焦模式。这种量子声子行为在一微米的距离内仍可被检测到，并可能延伸至数十微米。这个范围足够大，可以在许多现代电子、光子和量子设备中发挥作用。胡教授表示：“这是一个基础性观察，使我们能够用新方式思考热管理。通过在室温下以纳米尺度的精确度引导、集中和重新分配热量，这一发现为量子热工程奠定了基础。” 对人工智能和量子设备的潜在好处 在原子级别控制热量的能力可能有助于解决人工智能硬件、微电子设备、航空系统以及其他电子产品中的重大局限性。过热可能会降低所有这些技术的性能、可靠性和可扩展性。胡教授表示，这一发现也可能使调节声子与电子和其他能量载体的相互作用成为可能。这种能力可能支持未来在量子信息系统和传感技术方面的进步。早期对声子聚焦的观察大多仅限于绝对零度以上几度的温度。在这些条件下，声子可以在散射很少的情况下长距离传播。在室温下，声子通常散射得更频繁，快速失去波动传输所需的相干性，导致热量通过普通扩散传播。 为什么砷化铝不同 新发现建立在胡教授2018年对砷化铝的实验性发现之前。自那时以来，他的团队开发了高性能热接口和氮化镓设备，这些设备将砷化铝用于冷却。这些结果强调了该材料在下一代半导体系统中的潜力。砷化铝经历异常弱的声子散射，这允许基于波的热传输在室温下继续进行。实验中观察到的热模式与理论计算非常吻合。这种一致性确认了材料中的声子在散射之前可以传播异常长的距离，这是波动性行为能够在室温下存活的一个核心原因。研究的其他作者包括曼·李、欢·吴、子豪·秦、传金·苏和胡·杜伊·阮，都是加州大学洛杉矶分校胡教授实验室的在读或前研究生。该研究得到了美国能源部、国家科学基金会、国家普通医学科学研究所及Parag和Falguni Patel的捐款资金的资助。加州大学数字研究与教育研究所的研究技术组和匹兹堡超级计算中心的Bridges 2提供了计算资源。