В классической физике тепло распространяется равномерно во все стороны — на этом принципе строится всё охлаждение. Но в квантовом мире всё сложнее: тепло способно двигаться сфокусированными волнами в строго заданном направлении.
Ранее подобное фиксировали только при криогенных температурах, что почти не имело практического значения. Теперь учёные впервые зафиксировали сфокусированный волновой перенос тепла при комнатной температуре — около 27 °C.
Это пока фундаментальное открытие, но оно показывает: переносом тепла можно управлять в обычных условиях, а не только в лабораторных экстремальных режимах. Главный практический интерес связан с управлением теплом в электронике.
Если научиться задавать направление движения фононов через структуру материала, тепло можно будет не рассеивать хаотично, а направленно отводить от критически важных компонентов. Это особенно важно для охлаждения мощных чипов, AI-ускорителей и будущих квантовых компьютеров.
За перенос тепла в физике твёрдого тела отвечают фононы — квазичастицы, представляющие собой кванты колебаний кристаллической решётки. В обычном материале при комнатной температуре фононы постоянно рассеиваются на дефектах, границах кристалла и друг на друге.
Из-за этого волновой перенос тепла быстро переходит в обычную диффузию — хаотичное и всенаправленное распространение. Чтобы зафиксировать именно волновые эффекты, исследователи выбрали арсенид бора — материал с необычно слабым рассеянием фононов.
Благодаря этому свойству фононы в арсениде бора сохраняют волновые характеристики на значительно больших расстояниях, чем в обычных материалах. Для наблюдения эффекта учёные разработали метод наноразмерного картирования температуры.
В типичных материалах источник тепла формирует практически круговую картину распространения. В кристалле арсенида бора вместо этого возникли чёткие лучеобразные структуры, форма которых зависела от ориентации кристаллической решётки.
На разных кристаллографических плоскостях фиксировались четырёх-, шести- и восьмилучевые узоры. Экспериментальные данные полностью совпали с теоретическими расчётами, что подтвердило природу наблюдаемого эффекта.
Для получения точных картин распространения тепла в материал встроили нагреватель из золотой нанопроволоки, который одновременно выполнял функцию детектора температуры.