Veľký prelom vo fyzike: Vedci naučili teplo prúdiť ako svetlo v optickom vlákne

V moderných počítačoch a čipoch pre umelú inteligenciu je teplo nepriateľom číslo jeden. Keď sa elektronika prehreje, stráca výkon a životnosť komponentov sa prudko skracuje. Doteraz sme teplo v materiáloch vnímali ako chaotický jav, ktorý sa šíri všetkými smermi ako vlna po hode kameňa do rybníka. Vedci však práve zmenili pravidlá hry.

Tím z inžinierskej školy UCLA Samueli publikoval v prestížnom časopise Nature Physics štúdiu, ktorá mení pohľad na termodynamiku. Vedci zistili, že pri použití špecifického polovodičového materiálu sa teplo nespráva náhodne, ale dokáže sa pohybovať v presne definovaných lúčoch. Výsledky experimentu ukazujú, že tento fenomén, známy ako fonónové zaostrovanie, funguje aj pri izbovej teplote, čo je pre vývoj budúcich zariadení kľúčové.

V centre objavu stojí borid arzenitý (boron arsenide), kryštalický polovodič s mimoriadne vysokou tepelnou vodivosťou. Namiesto toho, aby sa teplo v ňom rozptýlilo do všetkých strán, kryštalická štruktúra ho prinúti nasledovať vopred určené „diaľnice“. Je to fascinujúca analógia k tomu, ako fungujú optické káble pre internet – namiesto dát svetla tu však inžinieri dokážu smerovať tepelnú energiu.

Prečo sme to doteraz nevedeli?

Hlavnou prekážkou bol doteraz tepelný rozptyl. Pri izbovej teplote sa tzv. fonóny – kvantové častice, ktoré prenášajú vibrácie a teplo – zvyknú veľmi rýchlo zrážať a strácať svoju energiu aj smer. Preto sa podobné kvantové správanie podarilo v minulosti pozorovať len pri teplotách blízkych -273 °C.

Tím pod vedením profesora Yongjie Hu využil jedinečné vlastnosti boridu arzenitého, kde je rozptyl fonónov nezvyčajne slabý. Vďaka tomu dokáže tepelná vlna cestovať na vzdialenosť niekoľkých mikrometrov, čo je v mikroelektronike dostatočná vzdialenosť na to, aby sme ju vedeli využiť v praxi.

Zaujímavosťou je, že smerovanie tepla sa dá ovplyvňovať jednoduchou zmenou orientácie kryštálu. Vedci v laboratóriu H Lab pri UCLA pozorovali štvor-, šesť- či osemnásobné vzorce zaostrovania tepla, čo inžinierom dáva do rúk nástroj, ako si „vyskladať“ chladiace cesty priamo v štruktúre čipu.

Budúcnosť pod kontrolou

Tento objav nie je len teoretickým cvičením. Ak dokážeme teplo usmerniť, dokážeme ho aj efektívnejšie odviesť z horúcich jadier procesorov, ktoré dnes „dusí“ ich vlastný výkon. Ide o základný kameň novej disciplíny, ktorú výskumníci nazývajú kvantové tepelné inžinierstvo.

Schopnosť kontrolovať tok tepla na nanometrovej úrovni môže výrazne pomôcť aj pri vývoji kvantových počítačov, kde je stabilita teploty kritická. V týchto systémoch môže aj minimálny tepelný šum spôsobiť chyby vo výpočtoch.

Podobné snahy o posúvanie hraníc vedy sme už v minulosti zaznamenali aj v iných oblastiach, kde sa snažíme prekonať limity techniky. Napríklad umelá inteligencia nedávno šokovala matematikov vyriešením problému, ktorý trápil vedcov takmer 90 rokov.

Širší kontext pre elektroniku

Výskum na UCLA nadväzuje na objav boridu arzenitého z roku 2018, na ktorom sa profesor Hu taktiež podieľal. Odvtedy sa tento materiál stal horúcim kandidátom pre ďalšiu generáciu polovodičov. Pre technologický priemysel to znamená nádej na čipy, ktoré sa neprehrievajú tak rýchlo, čo by mohlo znížiť nároky na masívne chladiace systémy v dátových centrách.

Vývojári sa dnes snažia nájsť cestu, ako udržať výkon v čase, keď sa čoraz častejšie stretávame s energetickými limitmi. Nie je to tak dávno, čo sme informovali, ako energetická kríza donútila automobilky vypnúť linky, čo len podčiarkuje dôležitosť efektívnosti v každom aspekte modernej techniky.

Hoci do komerčného nasadenia v našich smartfónoch či notebookoch zostáva ešte dlhá cesta, základné fyzikálne limity, ktoré nás doteraz brzdili, sa podarilo posunúť. Vedci teraz plánujú skúmať, ako tieto „tepelné cesty“ interagujú s elektrónmi, čo by mohlo viesť k úplne novým typom energeticky úsporných senzorov a zariadení.

Čítajte viac z kategórie: Vesmír a veda