Gerenciar o calor de forma eficiente dentro de materiais sólidos é essencial para desenvolver produtos eletrônicos mais rápidos e confiáveis. Até agora, uma forma de transporte de calor baseada em ondas, chamada focagem de fônons, só tinha sido observada em temperaturas criogênicas extremamente baixas, dificultando o estudo e limitando suas aplicações potenciais.
Pesquisadores da Escola de Engenharia Samuel da UCLA mostraram agora que os fônons, vibrações atômicas que transportam calor e exibem comportamento quântico, podem se mover através de um material em caminhos focados e em forma de feixe à temperatura ambiente. Em vez de se espalhar uniformemente em todas as direções, o calor pode seguir caminhos determinados pela estrutura do cristal. A descoberta pode levar a novas maneiras de controlar o calor em eletrônica avançada e tecnologias quânticas.
Condução de calor através de arsenieto de boro
O estudo, publicado em física da naturezafoi liderado por Yongji Hu, professor de engenharia mecânica e aeroespacial na UCLA Samueli. Sua equipe observou fônons à temperatura ambiente concentrados em arsenieto de boro, um semicondutor cristalino conhecido por sua alta condutividade térmica.
Materiais como o arsenieto de boro poderiam permitir que os engenheiros direcionassem o calor ao longo de caminhos planejados com precisão em nanoescala, em vez de esperar que ele se espalhasse e depois tentar removê-lo. Este processo é teoricamente semelhante à forma como as fibras ópticas transmitem luz ao longo de um caminho controlado.
Para observar esse comportamento, os pesquisadores criaram uma técnica de mapeamento de temperaturas em nanoescala. Em materiais convencionais, o calor se espalha para fora em um padrão circular, consistente com a condução difusiva normal de calor. O arseneto de boro produziu um resultado muito diferente. Os mapas de temperatura revelaram padrões distintos em forma de feixe alinhados com direções específicas no cristal.
estrutura de cristal forma fluxo de calor
Os pesquisadores também descobriram que quando a orientação dos cristais mudava, o padrão do fluxo de calor mudava de maneira previsível. Diferentes planos de arsenieto de boro produziram padrões de focagem sêxtuplos, óctuplos e quádruplos.
Esse comportamento do fônon quântico permaneceu detectável a distâncias de um micrômetro e pode se estender até dezenas de micrômetros. Esse alcance é grande o suficiente para ser útil em muitos dispositivos eletrônicos, fotônicos e quânticos modernos.
“Esta é uma observação fundamental que nos permite pensar de uma nova maneira sobre a gestão térmica”, disse Hu, autor correspondente do estudo e membro do California Nanosystems Institute da UCLA. “Ao permitir-nos direcionar, concentrar e redistribuir o calor com precisão em nanoescala à temperatura ambiente, esta descoberta estabelece uma base para a engenharia térmica quântica.”
Benefícios potenciais para IA e dispositivos quânticos
A capacidade de controlar o calor no nível atômico poderia ajudar a resolver as principais limitações em hardware de IA, dispositivos microeletrônicos, sistemas aeroespaciais e outros eletrônicos. O superaquecimento pode reduzir o desempenho, a confiabilidade e a escalabilidade em todas essas tecnologias.
Hu disse que a descoberta também pode tornar possível ajustar a forma como os fônons interagem com os elétrons e outros portadores de energia. Esta capacidade poderia apoiar avanços futuros em sistemas de informação quântica e tecnologias de detecção.
Observações anteriores de focagem de fônons foram limitadas principalmente a temperaturas alguns graus acima do zero absoluto. Nessas circunstâncias, os fônons podem viajar longas distâncias sem muita dispersão. À temperatura ambiente, os fônons geralmente se espalham com mais frequência e perdem rapidamente a coerência necessária para o transporte baseado em ondas, permitindo que o calor se dissipe através da difusão normal.
Por que o arsenieto de boro é diferente?
As novas descobertas baseiam-se no trabalho anterior de Hu envolvendo a descoberta experimental de arsenieto de boro em 2018. Desde então, seu grupo desenvolveu interfaces térmicas de alto desempenho e dispositivos de nitreto de gálio que incorporam arsenieto de boro para resfriamento. Esses resultados destacam o potencial do material para sistemas semicondutores de próxima geração.
O arsenieto de boro experimenta um espalhamento de fônons incomumente fraco, o que permite que o transporte de calor baseado em ondas continue mesmo à temperatura ambiente.
Os padrões de aquecimento observados nos experimentos correspondem muito aos cálculos teóricos. Este acordo confirmou que os fônons no material podem viajar distâncias anormalmente longas antes da dispersão, o que é uma razão central pela qual o comportamento baseado em ondas pode sobreviver à temperatura ambiente.
Outros autores do estudo incluem Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su e Huu Duy Nguyen, todos atuais ou ex-alunos de pós-graduação no laboratório H de Hu na UCLA Samuel.
O financiamento veio do Departamento de Energia dos EUA, da National Science Foundation, do Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais e de um fundo de doações de Parag e Falguni Patel. Os recursos computacionais foram fornecidos pelo Research Technology Group do UCLA Institute for Digital Research and Education e pela Bridges 2 do Pittsburgh Supercomputing Center.
