Hitze breitet sich normalerweise in alle Richtungen durch einen Festkörper aus – was sie berüchtigt schwer kontrollierbar macht, sobald sie sich in Bewegung setzt. Nun haben Ingenieure der UCLA Samueli School of Engineering eine verblüffende Ausnahme demonstriert: Im richtigen Kristall kann sich Hitze bei Raumtemperatur entlang gebündelter, strahlenförmiger Pfade bewegen – eher wie Licht in einer Glasfaser als wie Hitze in einer Bratpfanne.
Die in Nature Physics veröffentlichte Arbeit wurde von Yongjie Hu, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der UCLA Samueli, geleitet. Seine Gruppe beobachtete Phononen-Fokussierung bei Raumtemperatur in Bornitrid-Arsenid (Boron Arsenide), einem kristallinen Halbleiter, der für seine ungewöhnlich hohe Wärmeleitfähigkeit bekannt ist. Phononen sind Quantenschwingungen der Atome in einem Kristall, die Wärme transportieren – bislang war ihr wellenartiger, fokussierter Transport nur bei kryogenen Temperaturen wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt beobachtet worden.
Um das Unsichtbare sichtbar zu machen, entwickelte das Team ein Verfahren zur Temperaturkartierung im Nanomaßstab. Bei gewöhnlichen Materialien zeigten die Karten das bekannte kreisförmige Muster der nach außen diffundierenden Wärme. In Boron Arsenide jedoch bildeten die Temperaturmuster deutliche Strahlen – Wärme wanderte also bevorzugt entlang bestimmter, durch die Kristallstruktur vorgegebener Richtungen. Wurde der Kristall gedreht, veränderte sich das Muster vorhersagbar und erzeugte sechsfache, achtfache und vierfache Anordnungen fokussierter Wärme.
Das Quantenverhalten blieb über Distanzen von einem Mikrometer erhalten und könnte sich über zig Mikrometer erstrecken – weit genug, um für reale elektronische, photonische und Quantenbauelemente relevant zu sein. „Dies ist eine fundamentale Beobachtung, die es uns ermöglicht, Wärmemanagement neu zu denken“, sagte Hu. „Indem die Entdeckung es ermöglicht, Wärme bei Raumtemperatur mit Präzision im Nanomaßstab zu leiten, zu fokussieren und neu zu verteilen, schafft sie eine Grundlage für quantentechnisches Wärmemanagement.“
Die Entdeckung baut auf Hus früheren Arbeiten auf, darunter die experimentelle Entdeckung der außergewöhnlichen Eigenschaften von Boron Arsenide im Jahr 2018. Weil das Material Phononen nur schwach streut, überlebt der wellenartige Wärmetransport selbst bei Raumtemperatur.
Gelenkte Wärme könnte helfen, eines der hartnäckigsten Probleme der modernen Elektronik zu lösen: Überhitzung. Die Fähigkeit, Wärme mit Nanometer-Präzision zu steuern, könnte das Wärmemanagement in KI-Hardware, Mikroelektronik und Luftfahrtsystemen verbessern und es Forschern ermöglichen, die Wechselwirkungen zwischen Phononen, Elektronen und anderen Energieträgern für künftige Quanteninformations- und Sensortechnologien abzustimmen.
