Прорыв, который спасет компьютеры. Открытие физиков обещает положить конец вечной борьбе с перегревом
Тепло — вещь своенравная. Стоит ему возникнуть внутри твердого тела, как оно тут же растекается во все стороны, и унять его становится почти невозможно.
Именно поэтому перегрев остается главным врагом современных процессоров. Теперь исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе утверждают, что тепло можно заставить распространяться не хаотично, а узкими направленными лучами — подобно свету в оптическом волокне.
Работа была опубликована в журнале Nature Physics , а руководил ею профессор Йонджи Ху. Чтобы понять суть открытия, следует знать одну деталь. Тепло через материал переносят фононы — квантовые колебания кристаллической решетки. Обычно они разлетаются равномерно во все стороны. О явлении, при котором фононы выстраиваются в четкие «лучи», ученым было известно давно, однако наблюдали его лишь в условиях экстремального холода, близкого к абсолютному нулю. Из-за этого практической пользы от него было немного.
Команда Ху впервые зафиксировала этот эффект при обычной комнатной температуре. Это произошло в арсениде бора — кристалле, известном чрезвычайно высокой теплопроводностью.
Чтобы увидеть невидимое, ученые разработали способ измерения температуры в наномасштабе. В обычных материалах тепло образовывало ровные круги — классическую картину рассеяния. Однако арсенид бора вел себя иначе: тепловые узоры в нем складывались в четкие лучи, тянущиеся вдоль определенных направлений внутри кристалла. Более того, стоило повернуть кристалл другой стороной, как рисунок предсказуемо менялся: лучи выстраивались в шести-, восьми- или четырехлучевую звезду.
Почему это вообще возможно именно здесь? При комнатной температуре фононы обычно слишком часто сталкиваются друг с другом и быстро утрачивают свою волновую природу — тепло распространяется привычным образом. В обычных материалах фононы постоянно ударяются о стенки и друг о друга, поэтому тепло «расползается». Однако в арсениде бора они движутся свободнее и успевают преодолеть значительное расстояние до столкновения — именно это сохраняет их упорядоченность даже при комнатной температуре.
«Это фундаментальное наблюдение позволяет по-новому взглянуть на управление теплом, — подчеркивает Ху. — По его словам, способность с такой точностью направлять, фокусировать и перераспределять тепло закладывает основу совершенно нового направления — квантовой тепловой инженерии. А вместе с тем открывает путь к будущим квантовым технологиям, в которых ключевую роль играет тонкое взаимодействие между теплом, электронами и другими носителями энергии».