Για μια ακόμη σημαντική πρωτιά στη φυσική γίνεται λόγος, καθώς ένα συγκεκριμένο είδος κβαντικής συμπεριφοράς στα κύματα θερμότητας παρατηρήθηκε πλέον σε θερμοκρασία δωματίου και όχι στις εξαιρετικά χαμηλές κρυογονικές θερμοκρασίες που συνήθως απαιτούνται.
Πρόκειται για τη φωνονική εστίαση, δηλαδή τη μετακίνηση δονήσεων σε ατομικό επίπεδο που μεταφέρουν θερμότητα, με τα κβαντικά «πακέτα» που είναι γνωστά ως φωνόνια να κινούνται μέσα από ένα μη μεταλλικό υλικό σε συγκεκριμένα μοτίβα, σαν ακτίνες από ένα άστρο.
Αυτό διαφέρει ουσιαστικά από τη συνηθισμένη συμπεριφορά των φωνονίων που μεταφέρουν θερμότητα σε θερμοκρασία δωματίου, όπου η θερμότητα απλώνεται ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις, με έναν κλασικό και όχι κβαντικό τρόπο.
Το εύρημα μπορεί, δυνητικά, να επιτρέψει τον πολύ πιο ακριβή έλεγχο της θερμότητας σε ηλεκτρονικά επόμενης γενιάς σε κβαντικό επίπεδο και να ξεπεράσει προηγούμενα εμπόδια. Το πείραμα και οι παρατηρήσεις δημοσιεύθηκαν στο Nature Physics από ομάδα του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες.
«Πρόκειται για μια θεμελιώδη παρατήρηση που μας επιτρέπει να σκεφτούμε τη θερμική διαχείριση με νέο τρόπο», λέει ο μηχανολόγος και αεροναυπηγός Yongjie Hu.
«Δίνοντας τη δυνατότητα να κατευθύνεται, να εστιάζεται και να αναδιανέμεται η θερμότητα με νανομετρική ακρίβεια σε θερμοκρασία δωματίου, η ανακάλυψη θέτει τα θεμέλια για την κβαντική θερμική μηχανική».
Για να το πετύχουν αυτό, οι ερευνητές έκαναν δύο βασικές επιλογές. Η πρώτη ήταν να χρησιμοποιήσουν το βορικό αρσενικό (BAs) ως υλικό που θα θερμαίνουν, έναν πρόσφατα ανακαλυφθέντα ημιαγωγό που μεταφέρει τη θερμότητα εξαιρετικά αποτελεσματικά.
Το υλικό είναι επίσης ασυνήθιστο στο πόση ελευθερία δίνει στα φωνόνια να κινούνται χωρίς να συγκρούονται μεταξύ τους. Παράλληλα, η κρυσταλλική του δομή προσφέρει φυσικές «χοάνες» μέσα από τις οποίες μπορούν να περάσουν τα φωνόνια, δύο ιδιότητες ιδανικές για ένα τέτοιο πείραμα.
Η δεύτερη βασική επιλογή ήταν η χρήση ενός χρυσού ανιχνευτή σε νανοκλίμακα, ο οποίος λειτούργησε και ως πηγή θερμότητας και ως ακριβής αισθητήρας για τη χαρτογράφηση της διάδοσης της θερμότητας, επιτρέποντας στους ερευνητές να δημιουργήσουν φωνονική εστίαση περίπου στους 300 kelvin, δηλαδή γύρω στους 27 °C ή 80 °F.
«Αυτά τα εξωτικά προφίλ θερμοκρασίας, που μοιάζουν με ακτίνες και συγκεντρώνονται κατά μήκος κατευθύνσεων συμμετρίας, διαφέρουν αισθητά από εκείνα της κλασικής μεταφοράς θερμότητας», γράφουν οι ερευνητές στο άρθρο τους.
«Σε ευρύτερο πλαίσιο, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα εξωτικά φαινόμενα μεταφοράς που διέπονται από κύματα και η κβαντική μεταφορά, τα οποία θεωρούνταν για καιρό περιορισμένα σε κρυογονικά περιβάλλοντα, μπορούν να γίνουν πειραματικά προσβάσιμα σε τεχνολογικά σημαντικές θερμοκρασίες σε προηγμένα υλικά».
Μέσα από περαιτέρω μοντελοποίηση και δοκιμές, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ο ατομικός προσανατολισμός του υλικού, δηλαδή η τρισδιάστατη διάταξή του, μπορούσε να δημιουργήσει διαφορετικά μοτίβα ακτίνων. Αυτό αποτελεί ακόμη μία ένδειξη ότι ίσως είναι εφικτός ο πραγματικός έλεγχος του τρόπου με τον οποίο κινείται η θερμότητα μέσα στα υλικά.
Τα φωνόνια παρατηρήθηκαν να κινούνται για 250 νανόμετρα σε θερμοκρασία δωματίου, απόσταση πολύ μικρή για να τη δει κανείς με γυμνό μάτι, αλλά μεγάλη για αυτό το είδος πειράματος, αποτελώντας ισχυρή απόδειξη για πραγματική φωνονική εστίαση.
«Η συνολική επιβεβαίωση και η ποσοτική ανάλυση των πειραμάτων που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία επιβεβαιώνουν περαιτέρω την ανθεκτικότητα, την αναπαραγωγιμότητα και τη νανοκλιμακική ανάλυση της τεχνικής», γράφουν οι ερευνητές στο δημοσιευμένο άρθρο τους.
Αν και προς το παρόν πρόκειται για φυσική υψηλού επιπέδου, στο μέλλον μπορεί να υπάρξουν πολύ πρακτικές εφαρμογές της τεχνολογίας, ιδιαίτερα στα ηλεκτρονικά και στις κβαντικές τεχνολογίες.
Από τα απλά laptops μέχρι τους κβαντικούς υπολογιστές, η θερμότητα μπορεί να περιορίζει την υπολογιστική ισχύ και την κλιμάκωση. Παρότι η συγκεκριμένη έρευνα αποτελεί proof of concept και πραγματοποιήθηκε σε αυστηρά ελεγχόμενο πειραματικό περιβάλλον, δείχνει προς ένα μέλλον όπου η θερμότητα θα μπορεί να διαχειρίζεται και να ελέγχεται πιο αποτελεσματικά.
Σχετικό: Επεξεργαστής 6.100 qubits καταρρίπτει ρεκόρ στην κβαντική υπολογιστική
Η δυνατότητα λειτουργίας σε θερμοκρασία δωματίου, όπως έχει φανεί και με άλλες κβαντικές τεχνολογίες και πειράματα, αποτελεί σημαντικό ορόσημο που μας φέρνει πιο κοντά στο να γίνει η υπολογιστική ισχύς επόμενης γενιάς καθημερινή πραγματικότητα. Το επόμενο στοίχημα είναι η επέκταση αυτής της προόδου έξω από το εργαστήριο.
«Κοιτώντας μπροστά, η ανακάλυψη της δυναμικής των φωνονικών κυμάτων σε συνθήκες περιβάλλοντος, μαζί με τη δυνατότητα κατευθυνόμενου ελέγχου της ροής θερμότητας και της ακριβούς ρύθμισης της σύζευξης των φωνονίων με άλλους φορείς ενέργειας, θα μπορούσε να ανοίξει νέα πεδία πέρα από τα κλασικά πλαίσια θερμικής διαχείρισης», γράφουν οι ερευνητές.
Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο Nature Physics.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
