室温声子聚焦首次实现：对AI芯片散热意味着什么

💡 2026年7月，加州大学洛杉矶分校工程师首次在《自然·物理》证明，声子聚焦在室温（300 K）下即可实现：热量不向四周散逸，而是沿聚焦射线状路径传播。这一量子效应此前仅在接近绝对零度的极低温下才能观察到，如今为芯片中的精确热量导引提供了现实路径。

什么是声子，为什么热量通常只会扩散而非聚焦？

固体中的热量由声子携带：在晶体原子晶格中传播的量子化振动。可以将其视为热能的微观量子包，类似于光的光子。在大多数材料中，声子持续碰撞并向各个方向散射，导致热量像气体一样向四周弥散，无法被定向或聚焦。

在某些特殊结构的晶体中，声子可以保持相干性，沿聚焦的射线状路径传播。这种现象称为声子聚焦，其射线形状由晶体几何结构决定。数十年来，这一现象仅在接近0开尔文的极低温条件下才能观察到，因为室温下的热噪声会立即破坏声子的相干性。

UCLA团队具体发现了什么？

胡永杰教授及其在加州大学洛杉矶分校萨缪利工程学院的团队选择了砷化硼，一种具有异常弱声子散射特性的晶体半导体。利用纳米级温度成像技术，他们在300 K（约27°C，室温）下测量晶体热流图案，首次在低温恒温器之外观察到预测中的射线状聚焦。

根据所探测晶面的不同，热量形成六重、八重或四重对称图案。相干热束在至少1微米范围内保持稳定，研究人员预计在适当条件下可延伸至数十微米。研究结果发表于2026年7月23日的《自然·物理》。

这对AI芯片和量子硬件意味着什么？

热量是芯片密度的硬性上限。随着AI加速器在每平方毫米内集成越来越多的晶体管，单位面积热负荷的增长速度超过了散热方案的跟进能力。当今的散热方法，包括液冷、均热板和金刚石散热层，均在热量已扩散并随机化之后进行处理，是应对难题的优良方案，但未从根本上改变热量在芯片内部的传播物理过程。

声子聚焦将改变这一物理过程。如果热量能沿特定路径流动，从计算核心导出、流向散热器，芯片就可以在整体更高温度下运行，同时保持敏感区域低温。对量子计算机而言，杂散热量是量子退相干的主要原因，直接破坏量子态；在纳米尺度上导引热量可从根本上解决这一问题。

砷化硼是否已准备好用于实际芯片？

尚未，且可能需要较长时间。目前仍存在若干实质性障碍：

• 材料可及性：砷化硼并非主流半导体材料，大尺寸无缺陷晶体的生长十分困难，晶圆级量产供应链目前也不存在。
• 器件集成：在单独晶体中演示声子聚焦，与将其嵌入包含电气互连和介电层的多层芯片，是截然不同的工程难题。
• 尺度：1至10微米的相干热导引距离虽前景可期，但与全芯片热管理所需的毫米至厘米量级相比仍显有限。
• 竞争方案：金刚石散热基底、液态金属界面和三维均热板已在高性能芯片中得到应用，声子导引需展现出明确的制造优势。

胡永杰教授将这项研究定位为"为量子热工程奠定基础"，这是诚实而准确的表述。最关键的进展在于，研究者无需再将样品冷却至极低温才能继续深入研究。

接下来还需关注什么？

接下来有意义的里程碑：在硅或氮化镓等主流芯片材料中观察到声子聚焦，延长相干长度，以及证明聚焦方向可在晶体生长过程中通过设计实现。上述任一进展都将推动这一领域从基础物理迈向实际器件的材料工程。

常见问题

来源：UCLA新闻室 - 工程师在室温下观察到量子热波（2026年）；ScienceDaily - UCLA科学家发现如何像引导光一样引导热量（2026年8月）

关于作者

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