Учени доказаха, че топлината може да тече като вода – новаторски подход към охлаждането на чипове и не само

Учени от Федералната политехническа школа EPFL в Лозана са показали теоретично, че в силно подредени и много чисти кристали топлината може да се държи като течност. Вместо обичайното разсейване на топлината от горещо към студено, в чистите кристали възниква насочен поток с вихри и и дори обратно течение на топлината. Условно това е като да поставите длани около чаша горещ чай и да започнете да замръзвате. Невероятно? Не и за квантовата механика.

Всъщност, още преди 60 години учените стигат до заключението, че в рамките на квантовата механика топлината може да се държи като течност, или по-скоро може да бъде представена под формата на фононна хидродинамика. Фононите са квазичастици, които пренасят топлина. Това са кванти енергия на координирано вибрационно движение на твърди атоми, образуващи идеална кристална решетка.

Съгласно втория закон на термодинамиката вибрациите се разпространяват от по-топли (с повече енергия) към по-студени атоми. Учените са доказали, че при определени условия фононите образуват насочен поток с вихри и дори обратен топлинен поток. Това означава, че топлината е в състояние да се движи от по-студени области към по-топли, създавайки отрицателна температурна разлика и отрицателно топлинно съпротивление. Това поведение не противоречи на втория закон на термодинамиката, тъй като общата ентропия на системата продължава да се увеличава.

Явлението се обяснява с факта, че в чистите кристали сблъсъците на фонони запазват инерцията, което позволява на топлината да тече колективно като несвиваем флуид. Изследователите са разложили хидродинамичното уравнение на ключовите елементи на поведението на потока, като са показали, че обратният поток се усилва максимално именно в почти несвиваем режим: потокът не се „предава“ на съпротивлението и се пренасочва назад, образувайки вихри. Теоретичният модел и числените симулации върху двуизмерна ивица от кристален графит потвърдиха възможността за такъв ефект и предоставиха аналитичен инструмент за неговото количествено описание и оптимизиране.

Тази работа за първи път даде пълно аналитично обяснение на физиката на обратния топлинен поток. Преди това подобни ефекти бяха наблюдавани само при изчисления, но новата формулировка разкрива точно как вихровите структури и минималната свиваемост водят до отрицателно съпротивление. Това открива пътя към целенасочено проектиране на материали и устройства, при които топлината може да бъде активно „изпомпвана“ в желаната посока.

Практическото значение на откритието е огромно: ефективното управление на топлината е от решаващо значение за съвременната електроника, където прегряването ограничава производителността на чиповете, батериите и компонентите на центровете за данни. Хидродинамичният обратен поток може да се използва за предотвратяване на локални прегрявания (например, разсейване на топлината от батерия на смартфон), намаляване на енергийните загуби и подобряване на ефективността на системите. Моделът е приложим не само за фонони, но и за други носители (електрони, екситони), което го прави универсален инструмент за бъдещи технологии за топлинен контрол в наноелектрониката и енергетиката.