- UCLA 團隊首次在室温下觀測到量子熱傳導行為。
- 聲子聚焦現象可在室温下以納米級精度引導熱流。
- 研究使用砷化硼作為核心材料，導熱性能優異。
- 團隊計劃將實驗室成果轉化為實際應用。
加州大學洛杉磯分校（UCLA）物理學團隊在室温環境下首次觀測到熱波的量子行為，毋須依賴傳統上必需的極低温條件。這項發現為下一代量子裝置的熱管理帶來全新可能性，突破了過往的技術瓶頸。無論是日常使用的筆記簿電腦，抑或研究機構與初創企業為未來構建的量子電腦，熱管理均是所有運算裝置共同面對的重大難題。數據處理過程中產生的熱量會限制裝置的運算能力與擴展性。要令量子電腦如今天的矽基運算般普及，其運作温度必須能夠提升至室温水平。
科學家正循多個方向研究可行方案，但前提是量子特性同樣需要在室温下運作，而 UCLA 的近期研究正好證明此點可以實現。
聲子聚焦現象的意義
聲子聚焦（phonon focusing）是一種量子行為，聲子在非金屬材料中以振動能量包的形式，沿特定路徑傳遞熱量，形態如同由恆星射出的光線，與室温下均勻向各方向擴散的熱傳導聲子截然不同。UCLA 機械與航空航天工程系研究員 Yongjie Hu 指出，這項發現為熱管理思維開闢新方向，因為熱流現可在室温下以納米級精度引導與重新分配，並為量子熱工程奠定基礎。研究團隊在論文中表示，對於環境聲子波動力學的發現，加上對熱流方向的控制能力，以及精確調校聲子與其他能量載體耦合的技術，有望突破傳統熱管理框架的侷限，開拓全新領域。
實驗材料與方法
實驗過程中，研究團隊採用砷化硼（boron arsenide）作為核心材料。砷化硼是一種近年發現的半導體材料，導熱性能優異，其晶體結構形成天然的聲子傳導通道，使聲子得以在幾乎不發生碰撞的情況下自由移動。團隊同時使用一支納米級金探針，既作為熱源，又作為精確感測器，用以繪製熱傳播路徑，並在 27°C（約 80°F）的室温環境下創造出聲子聚焦條件。研究人員觀測到明顯有別於傳統熱傳導的特定圖案，從而證明由波動主導的特殊量子傳輸現象並非只能在極低温環境下運作。
此外，團隊亦發現材料的立體原子排列方向可產生不同的射線圖案，為控制材料內部熱流動方向提供更大靈活性。
雖然實驗中聲子的傳播距離僅為 250 納米，但對此類實驗而言已屬相當可觀，足以作為聲子聚焦現象存在的充分證據。研究團隊補充，温度依賴實驗的全面驗證與定量分析，進一步確認了相關技術的穩健性、可重複性以及納米級解像度。團隊下一步將致力於將實驗室研究成果轉化為實際應用。相關研究論文已於《Nature Physics》期刊發表。
項目 規格／細節 研究機構 加州大學洛杉磯分校（UCLA） 主要研究員 Yongjei Hu（UCLA 機械與航空航天工程系） 採用材料 砷化硼（boron arsenide）半導體 感測器 納米級金探針 實驗温度 27°C（約 80°F）室温 聲子傳播距離 250 納米 觀測現象 聲子聚焦（phonon focusing） 發表期刊 Nature Physics
量子熱傳導的突破性進展
UCLA 的研究顯示，量子熱傳導行為不再受限於極低温條件，這對未來量子計算機的發展至關重要。隨著量子裝置的普及，熱管理成為一個關鍵挑戰。這項發現不僅為量子熱工程奠定基礎，還可能推動新型材料的應用，從而改善設備的運算能力和擴展性。聲子聚焦的概念提供了一種新的熱流控制方法，未來或將在多個科技領域引發變革。