O gerenciamento eficiente do calor em sólidos é fundamental para o avanço da próxima geração de eletrônicos. No entanto, o movimento ondulatório do calor — conhecido como focalização de fônons — só havia sido observado em temperaturas extremamente baixas, ou criogênicas, o que limitava seu estudo e uso prático.

Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia Samueli da UCLA demonstraram que os fônons, vibrações atômicas que transportam calor e possuem propriedades quânticas, podem se propagar em trajetórias focadas, semelhantes a raios, à temperatura ambiente. Em vez de se espalhar uniformemente em todas as direções, o calor pode se mover ao longo de caminhos guiados definidos pela estrutura cristalina de um material, abrindo novas possibilidades para o gerenciamento do fluxo de calor em futuras tecnologias eletrônicas e quânticas.

Publicado na Nature Physics,  o estudo é liderado por Yongjie Hu,  professor de engenharia mecânica e aeroespacial na UCLA Samueli. A equipe demonstrou o foco de fônons à temperatura ambiente em arseneto de boro, um material semicondutor cristalino com alta condutividade térmica. Em vez de remover o calor após sua dispersão, materiais como o arseneto de boro podem permitir que o calor viaje por rotas predeterminadas com precisão nanométrica, de forma semelhante a como as fibras ópticas guiam a luz.

Para capturar o efeito, os pesquisadores desenvolveram uma técnica de mapeamento de temperatura em nanoescala. Em materiais convencionais, a equipe observou padrões circulares de dispersão de calor, consistentes com a condução de calor difusiva comum. No arseneto de boro, no entanto, os pesquisadores observaram padrões de temperatura impressionantes, semelhantes a raios, demonstrando que o calor estava sendo guiado ao longo de direções cristalinas específicas.

A equipe demonstrou ainda que os padrões de fluxo de calor mudam de forma previsível dependendo da orientação do cristal, com diferentes planos cristalinos de arseneto de boro exibindo padrões distintos de focalização de seis, oito e quatro eixos. É importante ressaltar que esse comportamento quântico de fônons pode persistir por distâncias de um micrômetro e potencialmente até dezenas de micrômetros, o suficiente para muitos dispositivos eletrônicos, fotônicos e quânticos modernos. 

“Esta é uma observação fundamental que nos permite pensar sobre a gestão térmica de uma nova maneira”, disse Hu, autor correspondente do estudo e membro do Instituto de Nanossistemas da Califórnia na UCLA.  “Ao permitir que o calor seja guiado, focado e redistribuído com precisão em nanoescala à temperatura ambiente, a descoberta estabelece uma base para a engenharia térmica quântica.” 

Controlar o movimento do calor em nível atômico tem o potencial de ajudar a superar gargalos em hardware de IA, dispositivos microeletrônicos, sistemas aeroespaciais e outros eletrônicos, onde o superaquecimento limita significativamente o desempenho, a confiabilidade e a escalabilidade. Hu afirmou que isso também poderia criar oportunidades para ajustar com precisão a forma como os fônons interagem com elétrons e outros portadores de energia, com aplicações para futuras tecnologias de informação quântica e sensoriamento.

Observações anteriores de focalização de fônons eram em grande parte limitadas a temperaturas criogênicas, geralmente apenas alguns graus acima do zero absoluto, onde os fônons podem percorrer longas distâncias com dispersão mínima. À temperatura ambiente, os fônons tipicamente sofrem dispersão extensa e perdem rapidamente sua coerência de onda, fazendo com que o calor se espalhe de forma difusa. 

As descobertas deste projeto baseiam-se na pesquisa anterior de Hu, pioneira na  descoberta experimental do arseneto de boro em 2018. Desde então, seu grupo demonstrou  interfaces térmicas de alto desempenho  e  dispositivos de nitreto de gálio integrando arseneto de boro para resfriamento,  destacando o potencial do material para a tecnologia de semicondutores de próxima geração. A dispersão de fônons excepcionalmente fraca do material permite que o transporte de calor ondulatório persista à temperatura ambiente.

Os padrões de calor observados corresponderam aos cálculos teóricos, confirmando que os fônons podem percorrer distâncias excepcionalmente longas antes de se dispersarem — um fator chave que possibilita esse comportamento ondulatório à temperatura ambiente.