العلماء يراقبون موجات الحرارة الكمومية في درجة حرارة الغرفة لأول مرة: ScienceAlert

لدينا سابقة بارزة أخرى في مجال الفيزياء لنذكرها: نوع محدد من السلوك الكمي وقد لوحظ الآن في موجات الحرارة في درجة حرارة الغرفة، وليس في درجات الحرارة المنخفضة للغاية المطلوبة عادة.

السلوك الكمومي هو تركيز الفونون، حيث تنتقل الاهتزازات الحاملة للحرارة على المستوى الذري (الحزم الكمومية المعروفة باسم الفونونات) عبر مادة غير معدنية في أنماط محددة، مثل الأشعة القادمة من النجم.

والأهم من ذلك، أن هذا يختلف عن السلوك القياسي للفونونات التي تنقل الحرارة في درجة حرارة الغرفة، حيث تنتشر الحرارة بالتساوي في جميع الاتجاهات (طريقة كلاسيكية بدلا من الكم طريقة التحرك).

وهذا يعني أنه من المحتمل أننا نستطيع التحكم في الحرارة بشكل أكثر دقة في الجيل التالي من الإلكترونيات على المستوى الكمي، والتغلب على الاختناقات السابقة. تم الإبلاغ عن التجربة والملاحظات في فيزياء الطبيعة بواسطة فريق من جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس.

“هذه ملاحظة أساسية تمكننا من التفكير في الإدارة الحرارية بطريقة جديدة.” يقول مهندس الميكانيكا والفضاء يونغجي هو.

“من خلال تمكين توجيه الحرارة وتركيزها وإعادة توزيعها بدقة النانو في درجة حرارة الغرفة، فإن هذا الاكتشاف يرسي الأساس للهندسة الحرارية الكمومية.”

لتحقيق ذلك، قام الباحثون باختيارين رئيسيين. الأول كان استخدام زرنيخيد البورون (BAs) كمادة للتسخين، أ تم اكتشاف أشباه الموصلات مؤخرًا وهذا ناقل جيد جدًا للحرارة.

كما أنه من غير المعتاد أيضًا مقدار الحرية التي تمنحها للفونونات للسفر دون الاصطدام ببعضها البعض. وفي الوقت نفسه، يوفر هيكلها البلوري “ممرات تحويل” طبيعية للفونونات للانتقال إلى الأسفل، وكلاهما من الخصائص المثالية لتجربة كهذه.

وكان الخيار الرئيسي الثاني هو استخدام مسبار الذهب النانوي الذي يعمل كمصدر للحرارة وجهاز استشعار دقيق لرسم الخرائط انتشار الحرارة – تمكين الباحثين من إنشاء فونون يركز على حوالي 300 كلفن (حوالي 27 درجة مئوية أو 80 درجة فهرنهايت).

“هذه الأشكال الغريبة لدرجات الحرارة الشبيهة بالأشعة والمتركزة على طول اتجاهات التناظر تختلف بشكل ملحوظ عن تلك الخاصة بانتقال الحرارة الكلاسيكي.” يكتب الباحثون في ورقتهم المنشورة.

“على نطاق أوسع، تشير النتائج إلى أن ظواهر النقل الغريبة والكمية التي تحكمها الموجات، والتي يُعتقد منذ فترة طويلة أنها تقتصر على الإعدادات المبردة، يمكن أن تصبح متاحة تجريبيًا عند درجات حرارة ذات صلة تكنولوجيًا في المواد المتقدمة.”

ومن خلال المزيد من النمذجة والاختبار، قرر الباحثون أن التوجه الذري للمادة (أو الترتيب ثلاثي الأبعاد) يمكن أن يخلق أنماطًا شعاعية مختلفة. وهذه علامة أخرى على أن هذا قد يمنحنا سيطرة حقيقية الطريقة التي تتحرك بها الحرارة في المواد.

وقد لوحظ أن الفونونات تنتقل لمسافة 250 نانومتر في درجة حرارة الغرفة، وهي صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة، ولكنها مسافة كبيرة بالنسبة لهذا النوع من التجارب – وهو دليل قوي على تركيز الفونونات الحقيقي.

“التحقق الشامل والتحليل الكمي للتجارب المعتمدة على درجة الحرارة يؤكدان أيضًا على متانة هذه التقنية وإمكانية تكرار نتائجها ودقتها على المستوى النانوي.” يكتب الباحثون في ورقتهم المنشورة.

في حين أن كل هذا هو فيزياء عالية المستوى في الوقت الحالي، فمن الممكن أن يكون هناك في النهاية بعض التطبيقات العملية الحقيقية جدًا لهذه التكنولوجيا، خاصة عندما يتعلق الأمر بالإلكترونيات وتقنيات الكم.

من أجهزة الكمبيوتر المحمولة العادية إلى أجهزة الكمبيوتر الكمومية، يمكن أن تعيق الحرارة قوة المعالجة وقابلية التوسع. على الرغم من أن البحث الذي تم إجراؤه هنا هو دليل محدد على المفهوم، والذي تم توضيحه في إعداد تجريبي يتم التحكم فيه بعناية، إلا أنه يشير إلى مستقبل حيث يمكن إدارة الحرارة والتحكم فيها بشكل أكثر كفاءة.

متعلق ب: معالج 6,100 كيوبت يحطم سجل الحوسبة الكمومية

جانب درجة حرارة الغرفة، كما رأينا مع تقنيات الكم الأخرى والتجارب، هي عتبة مهمة تقربنا من جعل قوة الحوسبة من المستوى التالي حقيقة يومية. التحدي الآن هو توسيع نطاقه خارج المختبر.

“بالنظر إلى المستقبل، فإن اكتشاف ديناميكيات موجات الفونون المحيطة، إلى جانب القدرة على التحكم في تدفق الحرارة بشكل مباشر وتصميم اقتران الفونون بدقة مع حاملات الطاقة الأخرى، يمكن أن يفتح حدودًا جديدة تتجاوز أطر الإدارة الحرارية الكلاسيكية”. يكتب الباحثين.

وقد تم نشر البحث في فيزياء الطبيعة.