Die Wärme breitet sich nicht immer gleichmäßig in einem Material aus. Forscher der University of California in Los Angeles haben beobachtet, dass sich atomare Schwingungen bei Raumtemperatur entlang gerichteter Bahnen in einem Borarsenid-Kristall ausbreiten.
Diese Schwingungen, sogenannte Phononen, transportieren thermische Energie durch Festkörper. Sie besitzen auch quantenmechanische Eigenschaften. Bisher wurde ihre fokussierte Ausbreitung hauptsächlich bei extrem niedrigen Temperaturen nahe kryogener Bedingungen beobachtet.
Ein dichter schwarzer Klumpen befindet sich in der Mitte, mit schmalen, dunklen, strahlenförmigen Streifen, die sich in viele Richtungen nach außen erstrecken, auf einem gesprenkelten orangen und gelben Hintergrund, was den gerichteten Wärmefluss durch das Material veranschaulicht.
Bild: UCLA
Das Team untersuchte einen Borarsenid-Kristall, der auf etwa 300 Kelvin, also nahe 27 °C, erwärmt wurde. In diesem Material breitete sich die Wärme nicht einfach in alle Richtungen aus. Sie bildete Muster, die Lichtstrahlen ähnelten.
Diese Organisation ergibt sich aus der Kristallstruktur von Borarsenid. Die Schwingungen folgen bestimmten bevorzugten Richtungen, die durch die regelmäßige Anordnung der Atome vorgegeben werden. Das Phänomen ist in gewisser Hinsicht vergleichbar mit der Art und Weise, wie eine optische Faser Licht leitet.
Um diese Bewegung zu beobachten, entwickelten die Forscher eine Methode, die Temperaturen im Nanometerbereich abbilden kann. In gewöhnlichen Materialien zeigten die erstellten Karten eine kreisförmige Verteilung. Der untersuchte Kristall erzeugte dagegen längliche und ausgerichtete Figuren.
Diese Entdeckung bedeutet noch nicht, dass elektronische Geräte sofort thermische „Autobahnen“ nutzen können. Die Experimente wurden an einem speziellen kristallinen Material und unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. Es muss daher seine Herstellung und Integration in Bauteile untersucht werden.
Die Möglichkeit, Wärme zu lenken, könnte dennoch für die Elektronik und Quantentechnologien von Interesse sein. Entwickler könnten versuchen, die Energie zu Kühlzonen zu leiten, anstatt darauf zu warten, dass sie sich im Bauteil verteilt.