Panas biasanya menyebar. Ia bergerak keluar melalui masa yang padat, kacau dan tidak terkendali. Begitu ia mulai bergerak, sulit untuk mengendalikannya. Hal ini selalu menjadi hambatan bagi para insinyur. Anda tidak dapat membuat perangkat elektronik berperforma tinggi jika intinya matang sendiri.
Sampai saat ini, hanya ada satu cara untuk memanipulasi panas sebagai gelombang dan bukan sebagai gas yang menyebar. Untuk itu diperlukan suhu kriogenik. Sangat rendah. Praktis tidak mungkin untuk perangkat konsumen. Fenomena ini disebut pemfokusan fonon. Itu membuat gelombang panas merambat dalam jalur lurus seperti sinar. Tapi itu hanya berhasil mendekati nol mutlak.
Itu berubah minggu ini.
Para peneliti di UCLA Samueli School of Engineering menemukan pemfokusan fonon pada suhu ruangan. Mereka melakukannya dengan boron arsenida. Semikonduktor kristal. Ini menghantarkan panas dengan sangat baik. Dan ini memegang kunci untuk mengarahkan energi panas dengan presisi skala nano.
“Ini adalah pengamatan mendasar yang memungkinkan kita memikirkan manajemen termal dengan cara baru.”
— Yongjie Hu, UCLA Samueli
Penemuan ini, yang dipublikasikan di Nature Physics, dapat mengubah cara kita menangani panas berlebih pada perangkat keras AI. Atau komputer kuantum generasi berikutnya. Atau mikroelektronika. Ini mengubah paradigma dari menghilangkan panas menjadi mengendalikannya.
Mengapa suhu ruangan penting
Kebanyakan bahan bertindak seperti saringan panas. Energi panas menyebar ke segala arah. Itu menyebar. Itu menyebar. Ini adalah difusi konvensional. Ini membatasi kinerja. Ini membatasi skalabilitas. Hal ini memaksa desainer untuk menambahkan sistem pendingin yang besar.
Boron arsenida berperilaku berbeda.
Tim UCLA yang dipimpin oleh Yongjie Hu mengamati getaran kuantum yang disebut fonon. Getaran ini membawa panas. Dalam materi khusus ini, fonon tidak tersebar secara acak. Mereka melakukan perjalanan di sepanjang jalur yang terkonsentrasi dan seperti sinar. Mereka mengikuti struktur kristal yang mendasarinya.
Panasnya tidak menyebar begitu saja. Itu mengalir seperti cahaya melalui serat optik.
Mengapa hal ini jarang terjadi pada suhu kamar? Biasanya, fonon sering bertabrakan. Mereka berpencar. Mereka kehilangan koherensi gelombang. Perilaku seperti gelombang menghilang. Ia digantikan oleh difusi yang kacau.
Boron arsenida melanggar aturan ini. Ia mengalami hamburan fonon yang sangat lemah. Hal ini memungkinkan transportasi mirip gelombang untuk bertahan pada suhu kamar. Panasnya menyebar sangat jauh sebelum berhamburan. Itu adalah kondisi penting agar efek dapat bekerja di luar freezer laboratorium.
Memvisualisasikan sinar panas
Anda tidak dapat melihat panas dengan mata Anda. Namun para peneliti mengembangkan metode untuk memetakan suhu pada skala nano.
Bahan biasa menghasilkan pola melingkar. Panasnya menyebar secara merata. Membosankan. Mengharapkan.
Boron arsenida berbeda. Pola suhu membentuk sinar yang berbeda. Sudut tajam. Jalur yang ditentukan. Panasnya menyebar ke arah tertentu.
Tim memanipulasi orientasi kristal. Polanya berubah seperti yang diduga. Bidang yang berbeda menghasilkan susunan panas terfokus enam kali lipat, delapan kali lipat, atau empat kali lipat.
Itu bukan sebuah kesalahan. Itu bersifat struktural. Kisi kristal menentukan alirannya.
Bagaimana boron arsenida mengarahkan energi panas
Kisarannya penting. Para peneliti mengamati efek ini pada jarak satu mikrometer. Ini berpotensi meluas hingga puluhan mikrometer.
Apakah itu cukup besar? Ya. Hal ini relevan untuk banyak perangkat elektronik dan fotonik. Ini menjembatani kesenjangan antara fisika skala atom dan rekayasa skala makro.
Hal ini membuka jalan bagi teknik termal kuantum. Anda dapat merancang sirkuit di mana panas dipandu, difokuskan, dan didistribusikan kembali berdasarkan perintah. Tidak ada lagi titik panas. Tidak ada lagi pelambatan termal.
Hu mencatat bahwa kontrol ini memungkinkan peneliti untuk menyesuaikan interaksi antara fonon, elektron, dan pembawa energi lainnya. Implikasinya lebih dari sekedar pendinginan.
- Perangkat Keras AI: Prosesor menghasilkan panas yang luar biasa. Aliran panas yang terkendali dapat mempertahankan kecepatan jam yang lebih tinggi.
- Komputasi Kuantum: Qubit sensitif terhadap gangguan termal. Pendinginan presisi meningkatkan stabilitas.
- Sistem Dirgantara: Keandalan bergantung pada pengelolaan gradien termal ekstrem.
Jalan ke depan
Kelompok Hu telah mengerjakan boron arsenida sejak tahun 2018. Saat itulah bahan tersebut ditemukan secara eksperimental. Mereka telah mendemonstrasikan antarmuka termal berkinerja tinggi. Mereka membuat perangkat galium nitrida menggunakan bahan tersebut untuk pendinginan.
Temuan terbaru ini menegaskan prediksi teoretis. Pola panas yang diukur sesuai dengan model. Fonon melakukan perjalanan lebih jauh dalam boron arsenida dari yang diperkirakan.
Sains itu masuk akal. Aplikasinya menggiurkan. Tapi ini masih dini. Kami sedang mencari landasan untuk teknologi masa depan. Bukan produk di rak saat ini.
Bisakah kita merekayasa perangkat yang tidak pernah mengalami panas berlebih? Fisika menunjukkan bahwa kita mungkin melakukannya. Panas tidak harus merupakan produk sampingan. Ini bisa menjadi fitur.
Sinar panas dalam boron arsenida mengarah pada arsitektur baru untuk komputasi. Tempat di mana energi mengalir tepat ke tempat yang seharusnya dituju. Dan tidak di tempat lain.
Sisanya masih harus dilihat.
