مدیریت مؤثر گرما درون مواد جامد، برای ساخت تجهیزات الکترونیکی سریعتر و قابلاعتمادتر اهمیت زیادی دارد. تاکنون نوعی از هدایت گرما (انتقال گرما) که بر پایه رفتار موجی انجام میشود و به آن «تمرکز فونونی» گفته میشود، تنها در دماهای بسیار پایین و شرایط سرمایشی شدید مشاهده شده بود. همین موضوع مطالعه این پدیده را دشوار میکرد و کاربردهای احتمالی آن را نیز محدود نگه میداشت.
اکنون پژوهشگران دانشکده مهندسی ساموئلی دانشگاه UCLA نشان دادهاند که فونونها، یعنی ارتعاشات اتمی که گرما را منتقل میکنند و رفتارهای کوانتومی از خود نشان میدهند، میتوانند در دمای اتاق از درون یک ماده در مسیرهایی متمرکز و شبیه پرتو حرکت کنند.
در حالت معمول، گرما تمایل دارد تقریباً در همه جهتها پخش شود. اما این پژوهش نشان میدهد که ساختار بلوری یک ماده میتواند مسیر حرکت گرما را تعیین کند. در نتیجه، گرما بهجای پخش شدن یکنواخت، میتواند در مسیرهای مشخص حرکت کند. این یافته میتواند به توسعه روشهای جدید برای هدایت گرما در تجهیزات الکترونیکی پیشرفته و فناوریهای کوانتومی منجر شود. همچنین میتواند دیدگاه جدیدی درباره کنترل حرارت در مقیاسهای بسیار کوچک ارائه دهد.
هدایت گرما در آرسنید بور
این مطالعه که در مجله Nature Physics منتشر شده است، به سرپرستی یانگجی هو، استاد مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشکده مهندسی ساموئلی UCLA، انجام شد. تیم او توانست تمرکز فونونی را در دمای اتاق و در مادهای به نام آرسنید بور مشاهده کند. آرسنید بور یک نیمهرسانای بلوری است که به رسانایی حرارتی بالای خود شناخته میشود.
موادی مانند آرسنید بور میتوانند به مهندسان اجازه دهند گرما را بهجای آنکه ابتدا در همه جهتها پخش شود و سپس برای حذف آن تلاش شود، در مسیرهایی از پیش تعیینشده هدایت کنند. این فرایند از نظر اصولی شباهت زیادی به عملکرد فیبرهای نوری دارد. فیبر نوری نور را در یک مسیر کنترلشده هدایت میکند. در اینجا نیز ساختار بلوری ماده میتواند مسیر حرکت گرما را تحت تأثیر قرار دهد.
این قابلیت میتواند مفهوم هدایت گرما را از یک فرایند صرفاً پراکنده به فرایندی قابلکنترلتر تبدیل کند. چنین رویکردی بهویژه برای دستگاههایی که در مقیاس نانو ساخته میشوند اهمیت دارد. برای مشاهده این رفتار، پژوهشگران روشی برای نقشهبرداری از دما در مقیاس نانو ایجاد کردند. در مواد معمولی، گرما به سمت بیرون و در الگوهایی دایرهایشکل منتشر میشود. این رفتار با انتقال حرارت عادی و انتشار گرمایی سازگار است.
اما آرسنید بور نتیجهای کاملاً متفاوت نشان داد. نقشههای دمایی، الگوهایی مشخص و شبیه پرتو را نشان دادند که با جهتهای خاصی در ساختار بلوری ماده همراستا بودند. به این ترتیب، پژوهشگران دریافتند که هدایت گرما در این ماده میتواند تحت تأثیر ساختار بلوری قرار گیرد و گرما الزاماً در تمام جهتها به یک شکل منتشر نمیشود.
ساختار بلوری مسیر جریان گرما را تعیین میکند
پژوهشگران همچنین دریافتند که با تغییر جهت بلور، الگوی جریان گرما نیز به شکلی قابل پیشبینی تغییر میکند. صفحات مختلف آرسنید بور، الگوهای تمرکز ششگانه، هشتگانه و چهارگانه ایجاد کردند. این الگوها نشان میدهند که نحوه قرارگیری ساختار بلوری میتواند نقش مهمی در تعیین مسیر حرکت گرما داشته باشد.
این رفتار کوانتومی فونونها در فاصلهای حدود یک میکرومتر همچنان قابل مشاهده بود. پژوهشگران معتقدند این اثر ممکن است در فاصلههایی تا چند ده میکرومتر نیز ادامه داشته باشد. این محدوده برای بسیاری از تجهیزات الکترونیکی، فوتونیکی و کوانتومی مدرن بهاندازه کافی بزرگ است. در نتیجه، این پدیده تنها یک مشاهده آزمایشگاهی در مقیاس بسیار کوچک نیست و میتواند در آینده کاربردهای عملی نیز داشته باشد.
یانگجی هو، نویسنده مسئول این مطالعه و عضو مؤسسه نانوسیستمهای کالیفرنیا در UCLA، گفت این مشاهده بنیادی به پژوهشگران اجازه میدهد مدیریت حرارتی را از زاویهای کاملاً جدید بررسی کنند. او توضیح داد که امکان هدایت گرما، متمرکز کردن آن و توزیع دوباره گرما با دقت در مقیاس نانو و در دمای اتاق، پایهای برای شکلگیری حوزهای جدید به نام مهندسی حرارتی کوانتومی ایجاد میکند.
این موضوع اهمیت زیادی دارد؛ زیرا یکی از چالشهای اصلی در بسیاری از فناوریهای پیشرفته، کنترل گرمای تولیدشده در ابعاد بسیار کوچک است.
مزایای احتمالی برای هوش مصنوعی و دستگاههای کوانتومی
توانایی کنترل گرما در سطح اتمی میتواند به حل برخی از محدودیتهای مهم در سختافزارهای هوش مصنوعی، تجهیزات میکروالکترونیکی، سامانههای هوافضایی و سایر فناوریهای الکترونیکی کمک کند. افزایش بیش از حد دما یکی از مشکلات مهم این فناوریهاست. گرمای اضافی میتواند عملکرد دستگاه را کاهش دهد، قابلیت اطمینان آن را پایین بیاورد و امکان توسعه آن در مقیاس بزرگتر را محدود کند.
در سامانههای پیشرفته، مدیریت حرارتی مناسب به اندازه عملکرد الکتریکی اهمیت دارد. هرچه قطعات کوچکتر و متراکمتر میشوند، کنترل گرمای تولیدشده دشوارتر خواهد شد. روشهای جدید برای هدایت گرما میتوانند در چنین شرایطی به مهندسان اجازه دهند گرما را از بخشهای حساس دستگاه دور کرده و به مناطق مشخصی منتقل کنند. هو همچنین گفت این کشف میتواند امکان تنظیم نحوه برهمکنش فونونها با الکترونها و سایر حاملهای انرژی را فراهم کند.
این قابلیت میتواند از پیشرفتهای آینده در سامانههای اطلاعات کوانتومی و فناوریهای حسگری پشتیبانی کند. در این فناوریها، کنترل دقیق انرژی و حرارت میتواند نقش مهمی در عملکرد دستگاه داشته باشد.
چرا هدایت گرما در دمای اتاق دشوار بود؟
مشاهدات قبلی از تمرکز فونونی عمدتاً به دماهایی محدود میشد که تنها چند درجه بالاتر از صفر مطلق بودند. در چنین شرایطی، فونونها میتوانند مسافتهای طولانیتری را طی کنند و میزان پراکندگی آنها بسیار کمتر است. همین موضوع به آنها اجازه میدهد ویژگیهای موجی خود را برای مدت بیشتری حفظ کنند.
اما در دمای اتاق، فونونها معمولاً با سرعت و دفعات بیشتری پراکنده میشوند. در نتیجه، همدوسی لازم برای انتقال موجی از بین میرود. وقتی این همدوسی از بین برود، گرما معمولاً از طریق فرایند انتشار عادی در ماده پخش میشود. به همین دلیل، مشاهده رفتار موجی فونونها و هدایت گرما بر پایه این رفتار در دمای اتاق، چالش بسیار بزرگی محسوب میشد.
پژوهش جدید نشان میدهد که آرسنید بور میتواند شرایط متفاوتی ایجاد کند. ویژگیهای خاص این ماده اجازه میدهد رفتار موجی فونونها حتی در دمای اتاق نیز تا حدی حفظ شود.
چرا آرسنید بور متفاوت است؟
یافتههای جدید بر پایه پژوهشهای قبلی هو درباره آرسنید بور شکل گرفتهاند. او و تیمش در سال ۲۰۱۸ در کشف تجربی این ماده نقش داشتند. از آن زمان، گروه پژوهشی هو به توسعه رابطهای حرارتی با عملکرد بالا و تجهیزات مبتنی بر نیترید گالیوم پرداخته است که برای خنکسازی آنها از آرسنید بور استفاده میشود.
این نتایج تاکنون ظرفیت آرسنید بور را برای استفاده در نسل آینده سامانههای نیمهرسانا نشان دادهاند. یکی از ویژگیهای مهم آرسنید بور، پراکندگی غیرمعمولاً ضعیف فونونها در این ماده است. این ویژگی به انتقال گرما از طریق رفتار موجی اجازه میدهد حتی در دمای اتاق نیز ادامه پیدا کند.
به بیان دیگر، فونونها در آرسنید بور میتوانند مسافت بیشتری را پیش از پراکنده شدن طی کنند. همین ویژگی یکی از دلایل اصلی آن است که رفتار موجی آنها در دمای اتاق همچنان قابل مشاهده باقی میماند.
تأیید نظریه با الگوهای حرارتی
الگوهای گرمایی مشاهدهشده در آزمایشها با محاسبات نظری مطابقت بسیار نزدیکی داشتند. این هماهنگی میان نتایج آزمایشگاهی و پیشبینیهای نظری تأیید کرد که فونونها در آرسنید بور میتوانند پیش از پراکنده شدن، مسافتهای غیرمعمول و طولانی را طی کنند. این ویژگی، دلیل اصلی تداوم رفتار موجی گرما در دمای اتاق است.
نتایج این پژوهش نشان میدهد که هدایت گرما دیگر الزاماً به معنای انتظار برای پخش شدن حرارت و سپس حذف آن نیست. در آینده ممکن است بتوان گرما را درون مواد، مشابه آنچه با نور انجام میدهیم، در مسیرهای مشخص هدایت و متمرکز کرد.
این کشف میتواند مسیر تازهای برای طراحی سامانههای مدیریت حرارتی در تراشهها و تجهیزات پیشرفته ایجاد کند. همچنین، امکان کنترل رفتار فونونها در دمای اتاق میتواند زمینه را برای توسعه فناوریهای جدید در الکترونیک، فوتونیک و محاسبات کوانتومی فراهم کند.
در مجموع، مشاهده تمرکز فونونی در آرسنید بور نشان میدهد که هدایت گرما در دمای اتاق میتواند بسیار دقیقتر و قابلکنترلتر از آن چیزی باشد که پیشتر تصور میشد. این دستاورد، گامی مهم در جهت توسعه مهندسی حرارتی کوانتومی و نسل جدید فناوریهای مدیریت گرما محسوب میشود.
