Observation of intrinsic transverse thermoelectricity in anisotropic semimetals

في العالم المجهري للإلكترونيات الحديثة، تُعد الحرارة ضيفاً مستمراً ومدمراً. فبينما تتدفق التيارات الكهربائية عبر المسارات الدقيقة لشريحة الكمبيوتر، فإنها تولد حرارة، لكن هذه الحرارة نادراً ما تتوزع بشكل متساوٍ. بدلاً من ذلك، تتركز في بقع محددة وشديدة تُعرف بالنقاط الساخنة (hotspots). ويمكن لهذه المناطق الموضعية ذات الحرارة العالية أن تضعف الأداء، وتقصر العمر الافتراضي للجهاز، وتُهدر الطاقة. لعقود من الزمن، كان النهج القياسي لإدارة هذه الحرارة هو إبعادها عن المصدر، وغالباً باستخدام أنظمة تبريد تعمل في نفس اتجاه التيار الكهربائي. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة لها قصور جوهري: فهي تعامل تدفق الحرارة كعملية بسيطة في خط مستقيم، وتفترض أنه إذا دفعت الكهرباء في اتجاه ما، فإن الحرارة ستتبع المسار نفسه. وتتجاهل هذه الرؤية واقعاً أكثر تعقيداً يوجد في مواد معينة، حيث لا تكون العلاقة بين الكهرباء والحرارة مجرد خط واحد، بل خريطة متعددة الاتجاهات. وإذا تمكن العلماء من تعلم كيفية توجيه الحرارة جانبياً، بعيداً عن الأجزاء الأكثر حرجاً في الدائرة، فقد يتمكنون من تبريد الأجهزة بفعالية أكبر من أي وقت مضى.

لقد أثبت فريق من الباحثين في جامعة فودان الآن أن هذا النوع من التوجيه الجانبي ليس ممكناً فحسب، بل يمكن تحقيقه دون الحاجة إلى مغناطيسات خارجية قوية، والتي تُستخدم عادةً للتحكم في تدفق الحرارة. ومن خلال العمل مع نوع معين من البلورات يسمى "شبه معدن" (semimetal)، لاحظ الباحثون ظاهرة حيث يتسبب تدفق الكهرباء في اتجاه واحد في إحداث تأثير تبريد في اتجاه مختلف تماماً. ويتحدى هذا الاكتشاف الافتراض الذي ساد طويلاً بأن الحرارة والكهرباء يجب أن تسافرا معاً. وفي تجاربهم، استخدم العلماء مواد تُعرف باسم Td-WTe2 و TaIrTe4، وهي مكونة من طبقات من الذرات متماسكة بقوى ضعيفة، تماماً مثل رزمة من الورق. تمتلك هذه المواد بنية داخلية فريدة حيث تترتب الذرات بطريقة تجعلها تتصرف بشكل مختلف اعتماداً على الاتجاه الذي تنظر إليه. وهذه الخاصية، المعروفة باسم "تباين الخواص" (anisotropy)، تعني أن قدرة المادة على توصيل الكهرباء وتوليد الحرارة ليست موحدة في جميع الاتجاهات.

قام الباحثون ببناء أجهزة دقيقة باستخدام هذه البلورات، حيث أنشأوا قنوات ضيقة حيث تُجبر التيارات الكهربائية على المرور من خلالها. ثم استخدموا مجهراً حرارياً عالي الحساسية لمراقبة ما يحدث لدرجة الحرارة على مقياس النانو. في الإعداد التقليدي، عندما تتدفق الكهرباء عبر سلك، يسخن السلك بسبب عملية تسمى "تسخين جول" (Joule heating). توقع الباحثون رؤية هذا التسخين، لكنهم بحثوا أيضاً عن إشارة مختلفة: وهي التأثير الكهروحراري (thermoelectric effect)، حيث يمكن لحركة حاملات الشحنة (الجسيمات التي تحمل الكهرباء) إما امتصاص الحرارة أو إطلاقها. في معظم المواد، يحدث هذا التأثير على طول نفس خط التيار. ومع ذلك، وبسبب البنية البلورية الفريدة لموادهم، وجد الفريق أن الاستجابة الحرارية كانت منقسمة. فعندما أرسلوا الكهرباء عبر البلورة بزاوية محددة بالنسبة للصفوف الذرية، لم تتبع الحرارة التيار فحسب، بل ظهر تأثير تبريد متميز عمودياً على تدفق الكهرباء.

ولإثبات أن هذا التبريد الجانبي كان تأثيراً فيزيائياً حقيقياً وليس مجرد خطأ ناتج عن معداتهم، قارن الفريق نتائجهم بمادة تتصرف بنفس الطريقة في جميع الاتجاهات، وتُعرف بأنها "متماثلة الخواص" (isotropic). وفي هذه التجارب الضابطة، اختفى تأثير التبريد، مما أكد أن الظاهرة تعتمد كلياً على الطبيعة الاتجاهية للبلورة. ثم دفع الباحثون التجربة إلى أبعد من ذلك عبر تصميم الجهاز بحيث يتركز تأثير التبريد تماماً حيث تكون الحرارة في أقصى شدتها. ووجدوا أنه في هذه المناطق المحددة، كان تأثير التبريد قوياً بما يكفي للتغلب على التسخين الطبيعي الناتج عن الكهرباء. وهذا يعني أن درجة الحرارة في الجزء الأكثر سخونة من الجهاز انخفضت بالفعل عن درجة حرارة الغرفة المحيطة. في مادة Td-WTe2، انخفضت درجة الحرارة بنحو 60 ميلي كيلفين، وفي مادة TaIrTe4، انخفضت بنحو 100 ميلي كيلفين. وبينما قد تبدو هذه الأرقام صغيرة، إلا أنها في عالم الإلكترونيات النانوية، حيث يمكن حتى لتغيرات درجات الحرارة الضئيلة أن تسبب فشلاً، تُعد إنجازاً كبيفتًا.

كان مفتاح هذا النجاح هو القدرة على إعادة توجيه تدفق الحرارة باستخدام البنية الداخلية للمادة نفسها بدلاً من الأدوات الخارجية. وأظهر الباحثون أنه من خلال تغيير الزاوية التي تدخل بها الكهرباء إلى البلورة، يمكنهم نقل تأثير التبريد من جانب إلى آخر من الجهاز. وهذا يشير إلى أن التبريد ليس حدثاً عشوائياً بل نتيجة يمكن التنبؤ بها لطبيعة هندسة المادة. كما استخدم الفريق محاكاة حاسوبية لنمذجة كيفية تحرك الحرارة، وقد تطابقت هذه النماذج مع ملاحظاتهم التجريبية تماماً. وكشفت عمليات المحاكاة أن التبريد كان مدفوعاً بعدم التطابق بين اتجاه التيار الكهربائي والمحاور الداخلية للبلورة. وعندما لم يكن هذان الاتجاهان متوافقين، ولدت المادة استجابة كهروحرارية عرضية، أو جانبية. وكانت هذه الاستجابة قوية بما يكفي لسحب الحرارة بعيداً عن المناطق الأكثر حرجاً في الجهاز، مما خلق فعلياً بقعة باردة في منتصف بقعة ساخنة.

يفتح هذا العمل مساراً جديداً لإدارة الحرارة في الأجهزة الإلكترونية. فلطالما كان التركيز لسنوات على تقليل كمية الحرارة المتولدة أو نقلها بعيداً في خط مستقيم. ويقترح هذا النهج الجديد أنه يمكننا بدلاً من ذلك إعادة تشكيل كيفية توزيع الحرارة داخل قطعة واحدة من المادة. ومن خلال استغلال تباين الخواص الطبيعي لبعض أشباه المعادن، يمكن إنشاء مناطق تبريد موضعية تستهدف النقاط الساخنة المحددة دون الحاجة إلى أنظمة تبريد ضخمة أو مجالات مغناطيسية. ويؤكد الباحثون أن هذه استراتيجية عامة يمكن تطبيقها على مواد أخرى ذات خصائص مماثلة، مما يوفر طريقة جديدة لتحسين موثوقية وكفاءة التقنيات النانوية المستقبلية. إن القدرة على تبريد جهاز من الداخل إلى الخارج، بدقة في المكان الذي تشتد الحاجة إليه، تمثل تحولاً من مجرد محاربة الحرارة إلى التحكم الفعال في تدفقها.