Зазвичай тепло поширюється хаотично та безконтрольно, розтікаючись через тверде тіло. Як тільки процес починається, його дуже важко зупинити. Це є стійкою перешкодою для інженерів: неможливо створити високопродуктивну електроніку, якщо її ядро просто згоряє через перегрівання.
Донедавна існував лише один спосіб керувати теплом як хвилею, а не дифузним газом. Для цього були потрібні кріогенні температури – екстремально низькі, практично недоступні для споживчих пристроїв. Це явище називалося фокусуванням фононів. Воно дозволяло тепловим волам рухатися прямими, схожими на промені, шляхами, але працювало лише поблизу абсолютного нуля.
Цього року ситуація змінилася.
Дослідники зі школи інженерії ім. Семуелі Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі (UCLA) виявили фокусування фононів за кімнатної температури. Вони досягли цього на основі боріду арсеніду — кристалічного напівпровідника, що володіє винятковою теплопровідністю. Цей матеріал став ключем до керування тепловою енергією з нанометровою точністю.
«Це фундаментальне спостереження дозволяє нам по-новому поглянути управління теплом».
— Юнджі Ху, UCLA Samueli
Відкриття, опубліковане в журналі Nature Physics, може змінити підхід до боротьби з перегріванням в апаратному забезпеченні штучного інтелекту (ІІ), квантових комп’ютерах нового покоління та мікроелектроніки. Це змінює парадигму: замість того, щоб просто відводити тепло, його можна спрямовувати.
Чому кімнатна температура має значення
Більшість матеріалів діють як сито для тепла. Теплова енергія розсіюється у всіх напрямках, дифундує та поширюється. Це проста дифузія, яка обмежує продуктивність, стримує масштабованість і змушує розробників впроваджувати громіздкі системи охолодження.
Борід арсеніду поводиться інакше.
Команда UCLA під керівництвом Юнджі Ху вивчала квантові коливання, звані фононами. Саме ці коливання переносять тепло. У цьому матеріалі фонони не розсіюються хаотично. Вони рухаються концентрованими шляхами, схожими на промені, слідуючи підструктурою кристала.
Тепло не просто розсіювалося. Воно текло, подібно до світла в оптоволокні.
Чому це явище таке рідкість при кімнатній температурі? Зазвичай фонони часто стикаються та розсіюються, втрачаючи хвильову когерентність. Хвильова поведінка зникає, поступаючись місцем хаотичної дифузії.
Борід арсеніду порушує це правило. У ньому спостерігається unusually слабке розсіювання фононів, що дозволяє хвильового перенесення енергії зберігатися при звичайних температурах. Тепло проходить надзвичайно великі відстані до моменту розсіювання. Саме ця умова дозволяє ефекту виявлятися поза лабораторними холодильниками.
Візуалізація теплових променів
Тепло не можна побачити неозброєним оком, проте дослідники розробили метод картування температури у наномасштабі.
На звичайних матеріалах спостерігалися кругові патерни: тепло дифузіювало рівномірно. Нудно. Очікувано.
Борід арсенід виявився іншим. Патерни температури формували чіткі промені. Різкі кути. Певні шляхи. Тепло переважно переміщалося у конкретних напрямках.
Команда змінювала орієнтацію кристала, і патерн передбачувано змінювався. Різні площини створювали шестипроменеві, восьмипроменеві або чотирипроменеві конфігурації сфокусованого тепла.
Це було помилкою. То була структурна особливість. Кристалічні грати диктували потік.
Як борид арсенід спрямовує теплову енергію
Важлива дистанція. Дослідники спостерігали цей ефект на відстанях в один мікрометр. Потенційно він може поширюватися на десятки мікрометрів.
Чи достатньо цього? Так. Це має значення для багатьох електронних та фотонних пристроїв. Ефект поєднує фізику атомного масштабу з макромасштабною інженерією.
Це відкриває шлях для квантової теплової інженерії. Можна проектувати схеми, в яких тепло спрямовується, фокусується та перерозподіляється за командою. Жодних «гарячих точок». Жодного теплового тротлінгу (зниження продуктивності через нагрівання).
Ху зазначає, що такий контроль дозволяє дослідникам регулювати взаємодію між фононами, електронами та іншими носіями енергії. Наслідки виходять за рамки простого охолодження:
- Апаратне забезпечення ІІ: Процесори генерують величезну кількість тепла. Контрольований потік тепла міг би підтримувати вищі тактові частоти.
- Квантові обчислення: Кубіти чутливі до теплового шуму. Точкове охолодження підвищує стабільність.
- Аерокосмічні системи: Надійність залежить від керування екстремальними градієнтами температури.
Шлях вперед
Група Ху працює з боридом арсеніду з 2018 року, коли матеріал був експериментально відкритий. З того часу вони продемонстрували високотехнологічні теплопровідні інтерфейси та створили пристрої на основі нітриду галію, використовуючи цей матеріал для охолодження.
Це останнє відкриття підтверджує теоретичні прогнози. Виміряні патерни теплопередачі збіглися з моделями. Фонони справді проходять далі у бориді арсеніду, ніж очікувалося.
Наука надійна, а можливості застосування ваблять. Але це досі рання стадія. Ми бачимо фундамент для майбутніх технологій, а не готового продукту на полиці магазину.
Чи можемо ми створити пристрої, які ніколи не перегріваються? Фізика натякає, що так. Тепло не обов’язково має бути побічним продуктом. Воно може стати функцією системи.
Промені тепла у бориді арсеніду вказують на нову архітектуру обчислювальної техніки. Ту, де енергія тече саме туди, куди треба, і більше.
Решта покаже час.
