Isı normalde bir katı içinde her yöne doğru yayılır; bu da hareket etmeye başladıktan sonra kontrol edilmesini son derece zorlaştırır. Şimdi UCLA Samueli Mühendislik Fakültesi'nden mühendisler çarpıcı bir istisna ortaya koydu: Doğru kristalde ısı, oda sıcaklığında yoğunlaşmış, ışın benzeri yollar boyunca ilerleyebiliyor — bir tavadaki ısıdan çok, optik fiberdeki ışığa benziyor.
Nature Physics dergisinde yayımlanan çalışmaya, UCLA Samueli'de makine ve havacılık mühendisliği profesörü olan Yongjie Hu liderlik etti. Ekibi, alışılmadık derecede yüksek ısıl iletkenliğiyle bilinen kristalimsi bir yarı iletken olan bor arsenürde oda sıcaklığında fonon odaklanması gözlemledi. Fononlar, bir kristaldeki atomların ısıyı taşıyan kuantum titreşimleridir ve bugüne kadar bu dalga benzeri, odaklanmış taşınım yalnızca mutlak sıfırın birkaç derece üzerindeki kriyojenik sıcaklıklarda gözlemlenebilmişti.
Görünmezi görünür kılmak için ekip, nano ölçekli bir sıcaklık haritalama tekniği geliştirdi. Sıradan malzemelerde haritalar, ısının dışa doğru yayıldığı bilinen dairesel deseni gösterdi. Ancak bor arsenürde sıcaklık desenleri belirgin ışınlar oluşturdu ve ısının, kristal yapısı tarafından belirlenen belirli yönler boyunca tercihli olarak ilerlediğini ortaya koydu. Kristal döndürüldüğünde desen öngörülebilir biçimde değişerek odaklanmış ısının altılı, sekizli ve dörtlü dizilimlerini üretti.
Kuantum davranışı bir mikrometrelik mesafeler boyunca sürdü ve potansiyel olarak onlarca mikrometreye uzanabilir — gerçek elektronik, fotonik ve kuantum cihazları için önem taşıyacak kadar büyük bir aralık. Hu, "Bu, ısıl yönetimi yeni bir şekilde düşünmemizi sağlayan temel bir gözlem" dedi. "Isının oda sıcaklığında nano ölçekte hassasiyetle yönlendirilmesi, odaklanması ve yeniden dağıtılmasını mümkün kılan bu keşif, kuantum ısıl mühendisliği için bir temel oluşturuyor."
Keşif, Hu'nun 2018'de bor arsenürün olağanüstü özelliklerini deneysel olarak ortaya çıkaran daha önceki çalışmalarına dayanıyor. Malzeme fononları yalnızca zayıf biçimde saçtığı için, dalga benzeri ısı taşınımı oda sıcaklığında bile varlığını sürdürüyor.
Yönlendirilmiş ısı, modern elektroniğin en inatçı sorunlarından birini — aşırı ısınmayı — çözmeye yardımcı olabilir. Isıyı nano ölçekte hassasiyetle yönlendirme yeteneği, yapay zeka donanımında, mikroelektronikte ve havacılık sistemlerinde ısıl yönetimi iyileştirebilir; ayrıca araştırmacıların gelecekteki kuantum bilgi ve algılama teknolojileri için fononlar, elektronlar ve diğer enerji taşıyıcıları arasındaki etkileşimleri ayarlamasına olanak tanıyabilir.
