Fizičari su zabeležili značajan napredak: specifično kvantno ponašanje toplotnih talasa prvi put je uočeno na sobnoj temperaturi. Dosad su takvi eksperimenti zahtevali ekstremno niske, kriogene temperature, piše Science Alert. Radi se o fenomenu fokusiranja, pri kojem se vibracije na atomskoj ravni koje prenose toplotu, poznate kao fononi, ne šire nasumično. Umesto toga, kroz nemetale kreću se u specifičnim uzorcima koji podsećaju na zrake. To je bitna razlika u odnosu na uobičajeno ponašanje toplote na sobnoj temperaturi, gde se ona širi ravnomjerno u svim smerovima, što je obeležje klasične a ne kvantne fizike.
Ovo otkriće otvara mogućnost znatno preciznije kontrole toplote u novoj generaciji kvantne elektronike, čime bi se mogla rešiti postojeća tehnološka ograničenja. Opis eksperimenta i rezultate objavio je tim sa Univerziteta u Kaliforniji (UCLA) u časopisu Nature Physics. „Ovo temeljno otkriće omogućuje da o upravljanju toplotom razmišljamo na potpuno nov način”, izjavio je Jongđie Hu, inženjer mašinstva i vazduhoplovstva. „Omogućili smo usmeravanje, fokusiranje i preraspodelu toplote s nanometarskom preciznošću na sobnoj temperaturi. To postavlja temelje za kvantno toplotno inženjerstvo.”
Uspeh se temelji na nekoliko ključnih odluka. Kao prvo, istraživači su koristili borov arsenid (BAs), nedavno otkriveni poluprovodnik koji izuzetno dobro provodi toplotu. Taj material je odabran jer njegova kristalna struktura omogućuje fononima kretanje s minimalnim međusobnim sudarima i usmerava ih kroz prirodne kanale. Kao drugo, koristili su zlatnu sondu nanometarskih dimenzija koja je istovremeno služila kao izvor toplote i kao precizan senzor za mapiranje njenog širenja. Ta tehnika je omogućila da zabeleže fokusiranje fonona na temperaturi od oko 300 kelvina, što je 27 Celzijusovih stepeni. „Ovi egzotični temperaturni profili, koji podsećaju na zrake koncentrisane duž ose simetrije, bitno se razlikuju od klasičnog prenosa toplote”, navode istraživači u naučnom radu. „Naši rezultati pokazuju da kvantni transportni fenomeni, za koje se dugo verovalo da su mogući samo u kriogenim uslovima, mogu biti dostupni za eksperimente na tehnološki važnim temperaturama ako se koriste napredni materijali.”
Dodatno modeliranje i testiranje pokazali su da se promenom atomske orijentacije materijala, to jest njegovog trodimenzionalnog rasporeda, mogu stvoriti različiti uzorci širenja toplote. To je još jedan pokazatelj da bi se mogla postići stvarna kontrola kretanja toplote kroz materijale. Zabeleženo je da fononi na sobnoj temperaturi prelaze put od 250 nanometara. Iako je to premalo da bi se videlo golim okom, za ovu vrstu eksperimenta to je velika udaljenost i čvrst dokaz stvarnog fokusiranja fonona. „Sveobuhvatna provera i kvantitativna analiza eksperimenata sprovedenih na različitim temperaturama dodatno potvrđuju pouzdanost, ponovljivost i nanometarsku rezoluciju ove tehnike”, ističu istraživači. Iako je navedeno istraživanje za sada u domenu fundamentalne fizike, tehnologija bi vremenom mogla pronaći konkretnu primenu, posebno u elektronici i kvantnim računarima. Zagrevanje ograničava procesorsku snagu i njihovu nadogradnju, od običnih prenosnih do kvantnih računara. Izvođenje eksperimenta na sobnoj temperaturi, što je trend i kod drugih kvantnih tehnologija, ključan je korak ka svakodnevnoj primeni napredne računarske snage.
(Ilustracija H-Lab/UCLA)
(Indeks)
