W klasycznym ujęciu ciepło rozchodzi się w materiałach we wszystkich kierunkach, stopniowo się rozpraszając. W nowym eksperymencie naukowcy wykazali jednak, że drgania atomów odpowiedzialne za transport energii cieplnej, zwane fononami, mogą przemieszczać się w uporządkowanych, przypominających promienie ścieżkach wyznaczanych przez strukturę krystaliczną materiału. Oznacza to, iż przepływem ciepła można kierować znacznie precyzyjniej, niż myśleliśmy.
Czytaj też: Kamień z Chile podważa prawa fizyki. Natura tworzy układy, o jakich fizycy nawet nie śnili
Podstawowym elementem badań był arsenek boru, a więc półprzewodnik wyróżniający się wyjątkowo wysokim przewodnictwem cieplnym. Materiał ten sprawia, że fonony wyjątkowo rzadko ulegają rozpraszaniu podczas przemieszczania się przez kryształ. Dzięki temu zachowują swoje falowe właściwości nawet w temperaturze pokojowej, podczas gdy w większości materiałów efekt ten zanika niemal natychmiast wskutek częstych zderzeń i utraty spójności.
Przez dziesięciolecia fizycy zakładali, że zjawisko znane jako skupianie fononów może występować jedynie w ekstremalnie niskich temperaturach. W takich warunkach drgania sieci krystalicznej są znacznie słabsze, co pozwala fononom pokonywać duże odległości bez zakłóceń. W temperaturze pokojowej intensywniejsze ruchy atomów powodują natomiast szybkie rozpraszanie energii, dlatego ciepło rozchodzi się w sposób dyfuzyjny i trudno jest kontrolować jego kierunek.
Badacze stojący za publikacją zamieszczoną w Nature Physics wykazali jednak, że arsenek boru łamie tę regułę. W przeprowadzonych eksperymentach pojawiły się charakterystyczne wzory rozchodzenia się ciepła, które niemal idealnie pokrywały się z wynikami zaawansowanych symulacji komputerowych opartych na obliczeniach z pierwszych zasad. Potwierdziło to, iż fonony rzeczywiście przemieszczają się na znacznie większe odległości, zanim ulegną rozproszeniu, zachowując przy tym swoje falowe właściwości.
Czytaj też: Nowa wersja zagadki Einsteina zaskoczyła fizyków. Ujawniła nieoczekiwane prawa rządzące materią
W praktyce dokonane postępy powinny oznaczać poszerzenie możliwości projektowania układów elektronicznych. Współczesne procesory, akceleratory sztucznej inteligencji czy elementy komputerów kwantowych są coraz bardziej ograniczane przez problem odprowadzania ciepła. W związku z tym inżynierowie koncentrują się głównie na usuwaniu nadmiaru energii z urządzeń po jej wygenerowaniu. Wyniki badań sugerują jednak, iż w przyszłości możliwe będzie projektowanie materiałów, które od samego początku poprowadzą ciepło dokładnie tam, gdzie będzie ono potrzebne lub gdzie najłatwiej będzie je odprowadzić.
Źródło: Nature Physics
