Учёные обнаружили металлический материал с рекордной теплопроводностью, которая почти в три раза превышает показатели меди и серебра. Исследователи из Школы инженерии Сэмюэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сообщили, что тета-фаза нитрида тантала проводит тепло с необычайно высокой эффективностью.
Это открытие бросает вызов давним представлениям о пределах теплопереноса в металлических материалах. Медь, на которую сегодня приходится около 30% рынка материалов для теплоотвода, имеет теплопроводность около 400 ватт на метр-кельвин. Новый материал демонстрирует значение около 1100 ватт на метр-кельвин при комнатной температуре.
Как объяснил ведущий исследователь Ху, стремительное развитие технологий искусственного интеллекта предъявляет повышенные требования к рассеиванию тепла, приближая традиционные металлы к их пределам. Нитрид тантала в тета-фазе может стать принципиально новой и превосходной альтернативой для создания материалов следующего поколения с высокой теплопроводностью.
Высокая теплопроводность критически важна для отвода тепла от локальных перегретых участков в электронных устройствах, где перегрев ограничивает производительность, надёжность и энергоэффективность. Исследование, в журнале Science, указывает, что эффективный отвод тепла в металлах фундаментально ограничен внутренними механизмами рассеяния. Однако тета-фаза нитрида тантала, как предсказывали теоретические модели, преодолевает это ограничение благодаря своей уникальной атомной структуре, в которой атомы тантала чередуются с атомами азота в гексагональной решётке.
Команда подтвердила характеристики материала с помощью нескольких методов, включая синхротронное рассеяние рентгеновских лучей и сверхбыструю оптическую спектроскопию. Эти измерения выявили чрезвычайно слабое взаимодействие между электронами и фононами (квантами колебаний решётки), что позволяет теплу распространяться гораздо эффективнее, чем в обычных металлах. Синхротронные исследования также показали особую фононную структуру материала с большим акустико-оптическим зазором, что подавляет рассеяние фононов.
Помимо микроэлектроники и аппаратного обеспечения для ИИ, это открытие может повлиять на широкий спектр технологий, всё чаще ограничиваемых проблемой перегрева, включая центры обработки данных, аэрокосмические системы и новые квантовые платформы.