加州大学洛杉矶分校科学家发现室温下像引导光线一样引导热量的方法

加州大学洛杉矶分校塞缪里工程学院研究人员证明，声子——携带热量并展现量子行为的原子振动——可以在室温下沿着集中的、成束的射线状路径穿过材料。与向各个方向均匀扩散不同，热量可以沿着晶体结构决定的路线传播。这一发现有望为控制先进电子器件和量子技术中的热量提供新方法。

该研究发表在《自然·物理学》上，由加州大学洛杉矶分校塞缪里工程学院机械与航空航天工程教授胡永杰（Yongjie Hu）领导。他的团队在砷化硼——一种因高热导率而闻名的晶体半导体——中观察到了室温下的声子聚焦现象。砷化硼等材料可能让工程师以纳米级精度，将热量沿着预定路线引导，而不是等热量扩散后再设法将其移除。其原理类似于光纤将光沿着受控路径传输。

为了观察这种行为，研究人员开发了一种在纳米尺度绘制温度分布的方法。在传统材料中，热量向外扩散会呈现近似圆形图案，这符合普通的扩散式热传导。但砷化硼显示出非常不同的结果：温度分布图出现了与晶体特定方向一致的明显射线状图案。

晶体结构会塑造热流形状。研究人员还发现，当晶体取向改变时，热流图案也会以可预测的方式变化。砷化硼不同晶面分别产生六重对称、八重对称和四重对称的聚焦图案。这种量子声子行为在约1微米的距离上仍能被探测到，并可能延伸到数十微米。这样的传播距离已经足够大，能够用于许多现代电子、光子和量子器件。

胡永杰表示，这是一项基础性的观察，让研究人员可以用新的方式思考热管理问题。作为论文通讯作者和加州大学洛杉矶分校纳米系统研究所成员，他还指出，这项发现使得在室温下以纳米级精度引导、聚焦和重新分配热量成为可能，为量子热工程奠定了基础。

在原子层面控制热量，可能有助于突破人工智能硬件、微电子器件、航空航天系统和其他电子设备中的主要限制。过热会降低这些技术在性能、可靠性和可扩展性方面的表现。胡永杰还说，这一发现可能使调节声子与电子及其他能量载流子之间相互作用成为可能，从而支持未来量子信息系统和传感技术的发展。

过去观察到的声子聚焦大多仅限于比绝对零度高几度的极低温条件。在这些条件下，声子可以传播很远的距离，很少发生散射。但在室温下，声子通常更频繁地散射，并迅速失去基于波动传输所需的相干性，导致热量主要通过普通扩散传播。

新发现建立在胡永杰早期研究基础上。2018年，研究人员通过实验发现砷化硼具有优异热学性质后，他的团队进一步开发了高性能热界面，以及将砷化硼用于冷却的氮化镓器件。这些成果凸显了该材料在下一代半导体系统中的潜力。

砷化硼中的声子散射异常微弱，因此即使处于室温，基于波动的热输运仍能保持。实验中观察到的热分布图案与理论计算高度一致，证实该材料中的声子可以在发生散射之前传播异常长的距离。这也是波动式热输运能够在室温下存活的核心原因。

论文其他作者包括Man Li、Huan Wu、Zihao Qin、Chuanjin Su和Huu Duy Nguyen，他们都是在加州大学洛杉矶分校塞缪里工程学院胡永杰教授H Lab工作或学习的研究生。研究资金来自美国能源部、美国国家科学基金会、美国国家普通医学科学研究所，以及Parag和Falguni Patel的捐赠基金。计算资源由加州大学洛杉矶分校数字研究与教育研究院技术研究组，以及匹兹堡超级计算中心的Bridges 2系统提供。