لا يزال ارتفاع درجة الحرارة يمثل العقبة الكبرى أمام الجيل القادم من أجهزة الذكاء الاصطناعي والإلكترونيات الدقيقة، مما يحد من الأداء وقابلية التوسع. والآن، يعيد إنجاز علمي في مجال توجيه الفونونات في درجة حرارة الغرفة (Room-temperature phonon focusing) صياغة قواعد الإدارة الحرارية عبر إثبات إمكانية توجيه الحرارة تماماً كشعاع الضوء. وبدلاً من ترك الحرارة تتشتت عشوائياً ومحاولة تبريدها لاحقاً، أصبح بإمكان المهندسين توجيهها عبر مسارات دقيقة على مستوى النانومتر.
وفي دراسة نُشرت في دورية Nature Physics، حقق باحثون في كلية Samueli للهندسة بجامعة UCLA هذا الإنجاز باستخدام زرنيخيد البورون (Boron arsenide)، وهو شبه موصل بلوري يُعرف بموصليته الحرارية العالية. واستناداً إلى الاكتشاف التجريبي الأولي للمادة في عام 2018، أثبت الفريق أن انتقال الحرارة الموجي لم يعد مقتصراً على درجات الحرارة شديدة البرودة التي تقترب من الصفر المطلق.
ففي درجات الحرارة العادية، تتشتت الفونونات (Phonons) - وهي الاهتزازات الذرية التي تنقل الحرارة - بسرعة، مما يؤدي إلى انتشار الحرارة في أنماط دائرية عشوائية. ومع ذلك، يتميز زرنيخيد البورون بضعف استثنائي في تشتت الفونونات، مما يسمح لهذه الاهتزازات الكمومية بالحفاظ على ترابطها والانتقال في مسارات مركزة تشبه الأشعة حتى في الظروف اليومية المعتادة.
تُعد هذه الملاحظة أساسية وتتيح لنا التفكير في الإدارة الحرارية بطريقة جديدة كلياً. فمن خلال تمكين توجيه الحرارة وتركيزها وإعادة توزيعها بدقة نانوية في درجة حرارة الغرفة، يضع هذا الاكتشاف حجر الأساس للهندسة الحرارية الكمومية.
- يونغجي هو، كلية Samueli للهندسة بجامعة UCLA
رسم خريطة تدفق الحرارة
ولرصد هذه الظاهرة، طوّر فريق جامعة UCLA تقنية متخصصة لرسم خرائط درجات الحرارة على مقياس النانو. وكشفت الخرائط الناتجة عن أنماط واضحة تشبه الأشعة تتوافق تماماً مع البنية الداخلية للبلورة.
ومن خلال تغيير اتجاه بلورة زرنيخيد البورون، لاحظ الباحثون تحولات يمكن التنبؤ بها في تدفق الحرارة، مما أنتج أنماط توجيه سداسية وثمانية ورباعية. ويظل هذا السلوك الكمومي مستقراً عبر مسافات تصل إلى ميكرومتر واحد، ويُحتمل أن يمتد لعشرات الميكرومترات، وهو نطاق تشغيلي هائل للمكونات الإلكترونية والضوئية الحديثة.
الآثار المترتبة على الذكاء الاصطناعي والأجهزة الكمومية
يفتح التحكم في الحرارة على المستوى الذري أبواباً لحلول فورية للصناعات التي تقيدها الحدود الحرارية. وتشمل التطبيقات العملية لهذا الاكتشاف ما يلي:
- تسريع أجهزة الذكاء الاصطناعي: التخفيف من الاختناق الحراري الشديد الذي يحد حالياً من قوة المعالجة وكثافة مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي.
- الإلكترونيات الدقيقة المتقدمة: السماح لمصممي الرقائق بتوجيه الحرارة بعيداً عن المكونات الحساسة بشكل استباقي، بدلاً من الاعتماد على أنظمة تبريد ضخمة وتفاعلية.
- أنظمة المعلومات الكمومية: ضبط كيفية تفاعل الفونونات مع الإلكترونات لاستقرار المستشعرات الكمومية الحساسة وهياكل الحوسبة.
نهاية عصر التبريد التفاعلي
لعقود من الزمن، تعاملت صناعة التقنية مع الحرارة كمنتج ثانوي فوضوي يجب إدارته بقوة بعد توليده. لكن هذا العرض العملي لتوجيه الفونونات في درجة حرارة الغرفة يقلب هذه المفاهيم رأساً على عقب، ليحوّل الإدارة الحرارية من عبء تفاعلي إلى ميزة تصميم استباقية.
فمن خلال إثبات إمكانية هندسة الحرارة لتنتقل عبر مسارات نانوية محددة مسبقاً، يفتح زرنيخيد البورون الباب أمام هياكل جديدة كلياً للرقائق. ومع تزايد طلب نماذج الذكاء الاصطناعي على الطاقة بشكل مضطرد، فإن القدرة على دمج النقل الحراري الموجي مباشرة في أشباه الموصلات لن تكون مجرد ترقية للكفاءة، بل ستصبح متطلباً إلزامياً للحقبة القادمة من الحوسبة.
