Teplo se v pevných látkách obvykle šíří difuzí: z ohřátého místa postupně proniká do okolí a jeho rozložení se rozšiřuje přibližně všemi směry. Výzkumný tým z University of California, Los Angeles nyní ukázal, že v krystalech boritého arsenu může mít tento přenos při pokojové teplotě i zcela jinou podobu. Teplo zde vytvářelo soustředěné paprskovité struktury vedené uspořádáním krystalu.
Podle studie zveřejněné v časopise Nature Physics jde o projev takzvaného fokusování fononů. Fonony jsou kvantové popisy kolektivních kmitů atomů v krystalové mřížce; v izolantech a polovodičích představují hlavní nositele tepelné energie. Většinou se při vyšší teplotě často rozptylují na jiných kmitech, defektech a hranicích materiálu, takže jejich vlnové vlastnosti rychle zanikají. Výsledkem je běžné rozplývání tepla.
Autoři vedení Yongjie Huem z UCLA zkoumali krychlové krystaly boritého arsenu při teplotě 300 K. Tento polovodič je známý vysokou tepelnou vodivostí. Výzkumníci jeho povrch lokálně ohřívali a následně mapovali rozložení teploty v nanometrovém měřítku pomocí hrotem zesílené Ramanovy spektroskopie. Metoda využívá změny světla rozptýleného materiálem v blízkosti velmi jemného kovového hrotu, z nichž lze určit místní teplotu s vysokým prostorovým rozlišením.
V materiálech s obvyklým difuzním přenosem tepla získal tým kruhové teplotní mapy kolem ohřívaného místa. U boritého arsenu však naměřil výrazné paprsky směřující podél vybraných krystalografických os. Nešlo přitom o náhodný vzor: orientace povrchu krystalu určovala symetrii obrazce. Různé krystalové roviny vytvářely šestinásobné, osminásobné nebo čtyřnásobné uspořádání tepelných paprsků.
Vlny, které se neztratily rozptylem
Experimentální mapy tým porovnal s výpočty založenými na Boltzmannově transportní rovnici pro fonony a s modely odvozenými z vlastností materiálu na atomární úrovni. Shoda mezi měřením a výpočty podle autorů podporuje vysvětlení, že obrazce vznikají prostorovým přerozdělováním nerovnovážných fononových vln s dlouhou délkou šíření. Nerovnovážné zde znamená, že rozdělení energie mezi fonony bezprostředně po místním ohřevu ještě neodpovídá tepelně ustálenému stavu.
Studie uvádí, že paprskovitý přenos byl pozorovatelný na vzdálenostech nejméně 1 µm od zdroje tepla a podle výpočtů by mohl přetrvávat až desítky mikrometrů. Pro nanostruktury a mikročipy jsou to rozměry, na nichž může být směr přenosu energie prakticky důležitý. Rozhodující vlastností boritého arsenu je podle práce nezvykle slabý rozptyl fononů, díky němuž si jejich pohyb zachová vlnový charakter i při pokojové teplotě.
Fokusování fononů bylo popsáno už dříve, ale předchozí experimenty jej většinou sledovaly jen za kryogenních podmínek, tedy při teplotách jen několik kelvinů nad absolutní nulou. Právě nízká teplota omezuje srážky a rozptyl fononů. Nový výsledek proto rozšiřuje možnost zkoumat směrový tepelný transport v podmínkách bližších provozu elektronických součástek.
Autoři spojují zjištění s možným budoucím řízením tepla v elektronice, fotonických součástkách a kvantových technologiích. Představa není v tom, že by krystal teplo aktivně odváděl jako hotové chladicí zařízení, ale že by vhodně zvolený materiál a jeho orientace mohly napomoci vést tepelnou energii mimo citlivé oblasti. Zatím však jde o základní experiment na krystalech boritého arsenu, nikoli o demonstraci funkčního čipu. Bude proto potřeba ověřit, zda lze tento princip zachovat při výrobě součástek, v tenkých vrstvách a ve spojení s dalšími materiály.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.