FIZIČARI su zabilježili značajan napredak: specifično kvantno ponašanje toplinskih valova prvi je put uočeno na sobnoj temperaturi.

Dosad su takvi eksperimenti zahtijevali ekstremno niske, kriogene temperature, piše Science Alert.

Radi se o fenomenu fokusiranja fonona, pri kojem se vibracije na atomskoj razini koje prenose toplinu, poznate kao fononi, ne šire nasumično. Umjesto toga, kroz nemetalne materijale kreću se u specifičnim uzorcima koji podsjećaju na zrake.

To je bitna razlika u odnosu na uobičajeno ponašanje topline na sobnoj temperaturi, gdje se ona širi ravnomjerno u svim smjerovima, što je obilježje klasične, a ne kvantne fizike.

Ovo otkriće otvara mogućnost znatno preciznije kontrole topline u novoj generaciji kvantne elektronike, čime bi se mogla riješiti postojeća tehnološka ograničenja. Eksperiment i rezultate objavio je tim sa Sveučilišta u Kaliforniji (UCLA) u časopisu Nature Physics.

Novi pristup upravljanju toplinom

"Ovo je temeljno otkriće koje nam omogućuje da o upravljanju toplinom razmišljamo na potpuno nov način", izjavio je Yongjie Hu, inženjer strojarstva i zrakoplovstva.

"Omogućili smo usmjeravanje, fokusiranje i preraspodjelu topline s nanometarskom preciznošću pri sobnoj temperaturi. To postavlja temelje za kvantni toplinski inženjering."

Ključni elementi eksperimenta

Uspjeh eksperimenta temelji se na nekoliko ključnih odluka. Kao prvo, tim je koristio borov arsenid (BAs), nedavno otkriveni poluvodič koji iznimno dobro provodi toplinu. Taj je materijal odabran jer njegova kristalna struktura omogućuje fononima kretanje s minimalnim međusobnim sudarima i usmjerava ih kroz prirodne kanale.

Kao drugo, koristili su zlatnu sondu nanometarskih dimenzija koja je istovremeno služila kao izvor topline i kao precizan senzor za mapiranje njezina širenja. Ta im je tehnika omogućila da zabilježe fokusiranje fonona na temperaturi od oko 300 kelvina, što odgovara 27 Celzijevih stupnjeva.

"Ovi egzotični temperaturni profili, koji podsjećaju na zrake koncentrirane duž osi simetrije, bitno se razlikuju od klasičnog prijenosa topline", navode istraživači u radu. "Naši rezultati pokazuju da kvantni transportni fenomeni, za koje se dugo vjerovalo da su mogući samo u kriogenim uvjetima, mogu biti dostupni za eksperimente na tehnološki važnim temperaturama ako se koriste napredni materijali."

Potvrda i buduće primjene

Dodatno modeliranje i testiranje pokazali su da se promjenom atomske orijentacije materijala, to jest njegovog 3D rasporeda, mogu stvoriti različiti uzorci širenja topline. To je još jedan pokazatelj da bi se mogla postići stvarna kontrola nad kretanjem topline kroz materijale.

Zabilježeno je da fononi na sobnoj temperaturi prelaze put od 250 nanometara. Iako je to premalo da bi se vidjelo golim okom, za ovu vrstu eksperimenta to je velika udaljenost i čvrst dokaz stvarnog fokusiranja fonona.

"Sveobuhvatna provjera i kvantitativna analiza eksperimenata provedenih na različitim temperaturama dodatno potvrđuju pouzdanost, ponovljivost i nanometarsku rezoluciju ove tehnike", ističu istraživači.

Iako je ovo istraživanje za sada u domeni fundamentalne fizike, tehnologija bi s vremenom mogla pronaći konkretnu primjenu, posebno u elektronici i razvoju kvantnih računala.

Problem zagrijavanja ograničava procesorsku snagu i mogućnost nadogradnje sustava, od običnih prijenosnika do kvantnih računala. Iako je ovo istraživanje specifičan dokaz koncepta izveden u strogo kontroliranim uvjetima, ono ukazuje na budućnost u kojoj se toplinom može učinkovitije upravljati.

Mogućnost izvođenja eksperimenta na sobnoj temperaturi, što je trend i kod drugih kvantnih tehnologija, ključan je korak prema svakodnevnoj primjeni napredne računalne snage. Sada je glavni izazov prenijeti ovu tehnologiju iz laboratorijskih uvjeta u praktičnu primjenu.

"Otkriće dinamike fononskih valova pri sobnoj temperaturi, zajedno s mogućnošću usmjerenog upravljanja toplinom i preciznog prilagođavanja interakcije fonona s drugim nositeljima energije, u budućnosti bi moglo stvoriti potpuno nove pristupe koji nadilaze klasično upravljanje toplinom", zaključuju istraživači. Istraživanje je objavljeno u časopisu Nature Physics.