2026年7月23日——高效的固体热管理是推动下一代电子技术发展的关键。然而，波状热运动（即声子聚焦）此前仅在极低温度（低温）下被观测到，这限制了其研究和实际应用。

如今，加州大学洛杉矶分校萨缪利工程学院的研究人员证明，具有量子特性的原子级热载流子振动——声子，可以在室温下沿聚焦的射线状路径传播。热量不再均匀地向各个方向扩散，而是可以沿着由材料晶体结构定义的引导路径移动，为未来电子和量子技术中的热流管理开辟了新可能。

这项研究今天发表在《自然·物理学》（Nature Physics）上，由加州大学洛杉矶分校萨缪利工程学院机械与航空航天工程教授Yongjie Hu领导。研究团队在一种高导热率的晶体半导体材料——砷化硼中，展示了室温下的声子聚焦。与热量扩散后再移除不同，砷化硼等材料可以使热量以纳米级精度沿预定路径传播，类似于光纤引导光的方式。

为了捕捉这一效应，研究人员开发了一种纳米级温度映射技术。在传统材料中，团队观察到了与普通扩散热传导一致的圆形热扩散模式。然而，在砷化硼中，研究人员看到了引人注目的射线状温度模式，表明热量正沿着特定的晶体方向被引导。

团队进一步证明，热流模式会根据晶体取向发生可预测的变化，不同砷化硼晶面呈现出独特的六重、八重和四重聚焦模式。重要的是，这种量子声子行为可以在1微米、甚至可能长达数十微米的距离上持续存在，这足以满足许多现代电子、光子和量子器件的需求。

“这是一项基础性的发现，使我们能够以新的方式思考热管理，”该研究的通讯作者、加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所成员Hu表示。“通过在室温下以纳米级精度引导、聚焦和重新分配热量，这一发现为量子热工程奠定了基础。”

在原子层面控制热量运动，有望帮助克服人工智能硬件、微电子器件、航空航天系统及其他电子设备中的瓶颈——在这些领域中，过热严重限制了性能、可靠性和可扩展性。Hu表示，这还可能创造机会，精细调节声子与电子及其他能量载流子的相互作用，应用于未来的量子信息和传感技术。

此前对声子聚焦的观测主要局限于低温环境（通常仅比绝对零度高几度），声子可以在其中长距离传播而散射极小。而在室温下，声子通常会被广泛散射并迅速失去其波相干性，导致热量扩散传播。

本项目的研究成果建立在Hu此前于2018年率先实现砷化硼实验发现的基础上。他的团队随后展示了集成砷化硼用于散热的高性能热界面和氮化镓器件，突显了该材料在下一代半导体技术中的前景。这种材料异常弱的声子散射使得波状热传输能够在室温下持续存在。

观察到的热模式与理论计算相吻合，证实了声子在散射前可以传播异常远的距离——这是室温下实现这种波状行为的关键因素。

该研究的其他作者包括加州大学洛杉矶分校萨缪利工程学院Hu的H-Lab实验室的现任或前任研究生Man Li、Huan Wu、Zihao Qin、Chuanjin Su和Huu Duy Nguyen。这项研究得到了美国能源部、国家科学基金会、国家普通医学科学研究所的资助，以及Parag和Falguni Patel的捐赠基金。计算支持由加州大学洛杉矶分校数字研究与教育研究所研究技术组和匹兹堡超级计算中心的Bridges-2提供。