ایران پرسمان - دانشمندان برای اولینبار تمرکز فونونی را در دمای اتاق مشاهده کردند؛ دستاوردی که میتواند به کنترل دقیقتر گرما در فناوریهای کوانتومی کمک کند.
پژوهشگران برای نخستینبار نوع خاصی از رفتار کوانتومی را در امواج گرما و در دمای اتاق مشاهده کردهاند؛ پدیدهای که پیشتر تصور میشد تنها در دماهای بسیار پایین و شرایط سرمایشی خاص قابل مشاهده است.
این رفتار کوانتومی که «تمرکز فونونی» (Phonon Focusing) نام دارد، زمانی رخ میدهد که ارتعاشات حامل گرما در مقیاس اتمی، یعنی بستههای کوانتومی موسوم به فونون، درون یک ماده غیرفلزی در الگوهای مشخصی حرکت کنند؛ درست مانند پرتوهایی که از یک ستاره منتشر میشوند.
این وضعیت با رفتار معمول فونونهای حامل گرما در دمای اتاق تفاوت دارد. در حالت عادی، گرما بهصورت یکنواخت در همه جهتها پخش میشود؛ روشی کلاسیک برای انتقال گرما که برخلاف رفتار کوانتومی مشاهدهشده است.
این دستاورد میتواند در آینده امکان کنترل بسیار دقیقتر گرما را در نسل بعدی تجهیزات الکترونیکی کوانتومی فراهم کند و برخی محدودیتهای فعلی را از میان بردارد. نتایج این آزمایش توسط تیمی از دانشگاه کالیفرنیا، لسآنجلس در مجله Nature Physics منتشر شده است.
«یونگجی هو»، مهندس مکانیک و هوافضا، میگوید: «این یک مشاهده بنیادی است که به ما امکان میدهد مدیریت حرارتی را به شیوهای جدید بررسی کنیم.»
پژوهشگران برای دستیابی به این نتیجه، چند انتخاب مهم داشتند. نخست، آنها از آرسنید بور (BAs) بهعنوان ماده مورد آزمایش استفاده کردند؛ نیمهرسانایی که بهتازگی کشف شده و رسانایی حرارتی بسیار بالایی دارد.
این ماده همچنین ویژگی غیرمعمولی دارد که به فونونها اجازه میدهد بدون برخورد با یکدیگر مسافت بیشتری را طی کنند. ساختار بلوری آن نیز مسیرهای طبیعی و متمرکزی برای حرکت فونونها ایجاد میکند؛ ویژگیهایی که آن را برای چنین آزمایشی مناسب میسازد.
انتخاب مهم دوم، استفاده از یک ابزار طلایی در مقیاس نانو بود که هم بهعنوان منبع گرما و هم حسگری دقیق برای ترسیم نحوه انتشار گرما عمل میکرد. پژوهشگران با کمک این ابزار توانستند در دمای حدود ۳۰۰ کلوین، معادل تقریباً ۲۷ درجه سانتیگراد، تمرکز فونونی ایجاد کنند.
پژوهشگران در مقاله خود مینویسند الگوهای دمایی عجیب و پرتومانند که در امتداد جهتهای متقارن متمرکز میشوند، تفاوت چشمگیری با انتقال کلاسیک گرما دارند. به گفته آنها، این نتایج نشان میدهد پدیدههای انتقال موجی و کوانتومی که پیشتر محدود به محیطهای سرمایشی تصور میشدند، میتوانند در دماهای مناسب برای فناوری و در مواد پیشرفته نیز بررسی شوند.
الگوهای فونونها در دماهای مختلف
مدلسازیها و آزمایشهای بیشتر نشان دادند جهتگیری اتمهای ماده یا آرایش سهبعدی آنها میتواند الگوهای متفاوتی از پرتوها ایجاد کند. این موضوع نشانه دیگری از امکان کنترل نحوه حرکت گرما در مواد است.
فونونها در دمای اتاق تا فاصله ۲۵۰ نانومتر حرکت کردند؛ فاصلهای که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیست، اما برای چنین آزمایشی بسیار زیاد محسوب میشود و شواهد محکمی از وقوع تمرکز فونونی ارائه میکند.
پژوهشگران همچنین میگویند آزمایشهای وابسته به دما و تحلیلهای کمّی انجامشده، پایداری، تکرارپذیری و وضوح نانومقیاس این روش را تأیید کردهاند.
این یافته فعلاً در سطح اثبات مفهوم قرار دارد، اما در آینده میتواند کاربردهای عملی مهمی، بهویژه در الکترونیک و فناوریهای کوانتومی، داشته باشد. از لپتاپهای معمولی گرفته تا رایانههای کوانتومی، گرما میتواند توان پردازشی و امکان توسعه این فناوریها را محدود کند. کنترل دقیقتر گرما میتواند راهی برای مدیریت کارآمدتر این مشکل باشد.
پژوهشگران میگویند در آینده، کشف پویایی امواج فونونی در دمای محیط، همراه با امکان کنترل جهتدار جریان گرما و تنظیم دقیق برهمکنش فونونها با سایر حاملهای انرژی، میتواند مسیرهای جدیدی فراتر از چارچوبهای کلاسیک مدیریت حرارتی ایجاد کند.