Fizik alanında önemli bir gelişme daha yaşanıyor: Isı dalgalarında görülen özel bir kuantum davranış türü, normalde gereken ultra-düşük kriyojenik sıcaklıklar yerine oda sıcaklığında gözlemlendi.
Bu kuantum davranışı, atomik düzeyde ısı taşıyan titreşimlerin (fonon olarak bilinen kuantum paketleri) metalik olmayan bir malzeme içinde, bir yıldızdan yayılan ışınlar gibi belirli desenlerde ilerlemesi olan fonon odaklanmasıdır.
Önemli olan, bunun oda sıcaklığındaki ısı taşıyan fononların standart davranışından farklı olmasıdır. Standart durumda ısı, her yöne eşit olarak yayılır (klasik, kuantum olmayan bir hareket şekli).
Bu bulgu, yeni nesil, kuantum düzeyindeki elektronik cihazlarda ısıyı çok daha hassas bir şekilde kontrol edebileceğimiz ve önceki darboğazların üstesinden gelebileceğimiz anlamına geliyor. Deney ve gözlemler, Kaliforniya Üniversitesi, Los Angeles'tan bir ekip tarafından Nature Physics'te yayımlandı.
Mekanik ve uzay mühendisi Yongjie Hu, "Bu, termal yönetimi yeni bir şekilde düşünmemizi sağlayan temel bir gözlemdir" diyor.
Hu, "Oda sıcaklığında ısının nanoskalı hassasiyetle yönlendirilmesine, odaklanmasına ve yeniden dağıtılmasına olanak tanıyan bu keşif, kuantum termal mühendisliği için bir temel oluşturuyor" diye ekliyor.
Bunu gerçekleştirmek için araştırmacılar birkaç önemli karar aldı. İlki, ısıyı iletmek için bor arsenit (BAs) malzemesini kullanmak oldu. Bu, yakın zamanda keşfedilmiş ve olağanüstü iyi bir ısı iletkeni olan bir yarı iletkendir.
Ayrıca, fononların birbirleriyle çarpışmadan seyahat etmelerine izin verme konusunda da alışılmadık derecede serbestlik sunar. Aynı zamanda, kristal yapısı fononların aşağı doğru seyahat etmeleri için doğal 'huni'ler sağlar – bu, böyle bir deney için mükemmel özelliklerdir.
İkinci önemli tercih, hem ısı kaynağı hem de ısı yayılımını haritalamak için hassas bir sensör görevi gören nano ölçekli bir altın probun kullanılmasıydı. Bu, araştırmacıların yaklaşık 300 Kelvin (yaklaşık 27 °C veya 80 °F) civarında fonon odaklanması oluşturmasını sağladı.
Araştırmacılar yayımladıkları makalede, "Bu egzotik, ışın benzeri sıcaklık profilleri, simetri yönleri boyunca yoğunlaşmış olup, klasik ısı transferinden belirgin şekilde farklıdır" diye yazıyor.
Ayrıca, "Daha geniş anlamda, sonuçlar, uzun süredir sadece kriyojenik ortamlarda görüldüğü düşünülen dalga güdümlü egzotik ve kuantum taşıma fenomenlerinin, gelişmiş malzemelerde teknolojik olarak ilgili sıcaklıklarda deneysel olarak erişilebilir hale gelebileceğini gösteriyor." diye belirtiyorlar.
Araştırmacılar, ileri modelleme ve testler yoluyla malzemenin atomik yöneliminin (veya 3D düzeninin) farklı ışın desenleri oluşturabileceğini belirledi. Bu, malzemelerdeki ısı hareketini gerçek anlamda kontrol edebileceğimize dair bir başka işarettir.
Fononların oda sıcaklığında 250 nanometre boyunca ilerlediği gözlemlendi. Bu, çıplak gözle görülemeyecek kadar küçük olsa da, bu tür bir deney için devasa bir mesafedir ve gerçek fonon odaklanmasının sağlam bir kanıtıdır.
Araştırmacılar, yayımladıkları makalede, "Sıcaklığa bağlı deneylerin kapsamlı doğrulanması ve nicel analizi, tekniğin sağlamlığını, tekrarlanabilirliğini ve nanoskalı çözünürlüğünü daha da doğrulamaktadır" diye yazıyor.
Şimdilik hepsi üst düzey fizik olsa da, teknolojinin, özellikle elektronik ve kuantum teknolojileri söz konusu olduğunda, gelecekte çok gerçek pratik uygulamaları olabilir.
Sıradan dizüstü bilgisayarlardan kuantum bilgisayarlara kadar ısı, işlem gücü ve ölçeklenebilirliği engelleyebilir. Burada yapılan araştırma, özenle kontrol edilen bir deneysel kurulumda gösterilen özel bir konsept kanıtı olsa da, ısının daha verimli bir şekilde yönetilebileceği ve kontrol edilebileceği bir geleceğe işaret ediyor.
Oda sıcaklığı özelliği, diğer kuantum teknolojileri ve deneylerinde gördüğümüz gibi, bir sonraki seviye bilgi işlem gücünü günlük bir gerçeklik haline getirmeye bizi yaklaştıran önemli bir eşiktir. Şimdi zorluk, bunu laboratuvar dışına genişletmektir.
Araştırmacılar, "İleriye bakıldığında, ortam fonon dalga dinamiklerinin keşfi, ısı akışını yönlü olarak kontrol etme ve fononların diğer enerji taşıyıcılarıyla eşleşmesini hassas bir şekilde ayarlama yeteneği ile birlikte, klasik termal yönetim çerçevelerinin ötesinde yeni ufuklar açabilir" diye yazıyor.
Araştırma, Nature Physics'te yayımlandı.
