Ett UA-ledt samarbete mellan fysiker och kemister har upptäckt att temperaturen beter sig på konstiga och oväntade sätt i grafen, ett material som får forskare att fräsa av spänning över dess potential för nya tekniska apparater, allt från datorer till medicin.

Föreställ dig att sätta en stekpanna på spisen och skruva upp värmen, bara för att upptäcka att på några ställen smälter smöret inte eftersom en del av pannan förblir i rumstemperatur. Det som verkar vara ett omöjligt scenario i köket är precis vad som händer i kvantfysikens konstiga värld, forskare vid University of Arizona har upptäckt.

Resultaten, publicerad i den vetenskapliga tidskriften Fysisk granskning B , föreslår att kvanteffekter spelar en roll i hur värme rör sig genom ett material, utmanar den klassiska uppfattningen att värme helt enkelt diffunderar från en varm plats till en kall plats tills temperaturen är densamma hela tiden.

Kvanttemperaturkontroll på mikroskalanivå skulle en dag kunna möjliggöra ny teknik – till exempel, inom datorer, miljöövervakning och medicin.

"Ingen har sett dessa kvanteffekter i utbredningen av temperatur tidigare, sade Charles Stafford, en professor vid UA:s institution för fysik som var medförfattare till uppsatsen. "Värmediffusion har alltid ansetts vara en process som du inte kan påverka. Vanligtvis, ett mönster av varma och kalla fläckar i ett material skulle tvättas ut av det obönhörliga flödet av värme från de varma fläckarna till de intilliggande kalla fläckarna."

Inte i grafenens konstiga värld. Materialet - ett ark av kolatomer länkade i en hexagonal, kycklingtrådsstruktur – lovar mycket för mikroelektronik. Endast en atom tunn och mycket ledande, grafen kan en dag ersätta konventionella kiselmikrochips, göra enheter mindre, snabbare och mer energieffektiv. Förutom potentiella tillämpningar i integrerade kretsar, solceller, miniatyriserade bioenheter och gasmolekylsensorer, materialet har uppmärksammats av fysiker för dess unika egenskaper att leda elektricitet på atomnivå.

"Vi fann att elektroner som bär värme fortplantar sig som tvådimensionella kvantvågor, " Stafford sa, "och krusningarna i dessa vågor förutspås leda till varma och kalla fläckar som kvarstår, flyger inför vår vardagliga förståelse av temperatur och värmeflöde."

Vad mer, "storleken på dessa krusningar är kontrollerbar i grafen, så att detta märkliga fenomen skulle kunna observeras med toppmoderna scanning termiska mikroskop, erbjuder en unik utsikt över naturen av temperatur och värmetransport på kvantnivå, " skriver författarna.

"Med andra ord, detta är inte bara ett konceptuellt resultat, men du bör kunna observera detta fenomen med nuvarande labbtekniker, " sa Stafford.

Efter att ha förutspått liknande typer av temperaturvågor längs enstaka molekyler - för små för tekniska tillämpningar - i datorsimuleringar publicerade tidigare, Stafford och hans team ger nu grunden för att observera kvantvärmeöverföring med tillgänglig teknik.

"Under vissa förutsättningar, man skulle kunna göra dessa våglängder till 20 nanometer eller mer, väl inom området för nuvarande upplösning av scanning termisk mikroskopi, " sa Stafford.

Medan författarna betonar att deras uppsats inte handlar om omedelbara tillämpningar, upptäckten av varma och kalla fläckar som samexisterar i samma ark grafen kan erbjuda sätt att använda grafen som en kvantvärmeledare för att kyla elektroniska enheter.

"När enheterna blir mindre och mindre, det finns ett stort tryck inom tekniken för att kunna hantera temperatur på nanoskalanivå, " sa Stafford. "Till exempel, om vi vill förbättra bearbetningshårdvaran, vi måste förstå värmeflödet på den nivån, och det kräver att vi tar vår förståelse från tavlan för teoretisk fysik till att bli igenkänd i en labbmiljö."

Nanometerupplösningstemperaturmätningar är tekniskt nödvändiga, till exempel, att karakterisera den termiska prestandan och felmekanismerna för halvledarenheter, eller att undersöka biovärmeöverföring på molekylär nivå för behandling av cancer eller hjärt-kärlsjukdomar.

"Genom kvantvärmetransport, det borde vara möjligt att uppnå punktkylning på mikroskalanivå som skulle vara omöjlig att uppnå med klassisk värmetransport, Stafford förklarade. "I en typisk datorarkitektur av tvådimensionella chips, du måste tappa överskottsvärme längs kanterna, och det blir svårare och svårare när allt blir mindre och mindre. Om du istället för att behöva kyla hela strukturen selektivt kunde kyla vissa mikroskopiskt små processer på chipet, det skulle vara en stor fördel."

Dessutom, kvanteffekter kan erbjuda nya metoder för att kringgå långvariga tekniska utmaningar, antyder att undersökningen av "faskänsliga" termiska effekter kan öppna dörren till kvantkonstruerade värmetransportanordningar.