Более ста лет медь и серебро считались эталоном теплопроводности среди металлов. Именно на них опирается современная электроника — от радиаторов в ноутбуках до сложных систем охлаждения серверов. Однако новое исследование инженеров Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) заставляет пересмотреть этот устоявшийся порядок вещей.
Ученые обнаружили металлическое соединение, которое проводит тепло почти в три раза эффективнее меди и серебра. Речь идет о тета-фазе нитрида тантала — θ-TaN. По измерениям исследователей, его теплопроводность достигает примерно 1100 Вт/м·К, что делает этот материал самым «быстрым» теплопроводником из когда-либо измеренных металлов. Для сравнения: у меди этот показатель составляет около 400 Вт/м·К, а серебро в идеальных условиях демонстрирует сопоставимые значения.
Перегрев - проблема № 1
Этот прорыв произошел в момент, когда проблема отвода тепла стала критической для всей вычислительной индустрии. Современные процессоры, графические ускорители и особенно ИИ-чипы работают с экстремальной плотностью энергии. Чем выше производительность — тем больше тепла выделяется на крошечной площади кристалла.
Сегодня медные теплоотводы занимают около трети мирового рынка систем терморегуляции. Но у меди есть физический потолок эффективности, и он все чаще превращается в узкое место при проектировании электроники. Рост вычислительных нагрузок и энергопотребления сделал охлаждение не вспомогательной задачей, а ключевым ограничением для дальнейшего развития «железа».
Тета-фаза нитрида тантала
Чтобы понять, почему θ-TaN так хорошо проводит тепло, нужно заглянуть на атомный уровень. В обычных металлах тепловая энергия переносится в основном электронами. Однако на своем пути они постоянно сталкиваются с колебаниями кристаллической решетки — фононами — и друг с другом. Эти столкновения тормозят поток тепла.
У тета-фазы нитрида тантала все иначе. Атомы тантала и азота в нем выстроены в гексагональную кристаллическую решетку, которая радикально ослабляет взаимодействие между электронами и фононами. Проще говоря, электронам почти ничего не мешает нести тепловую энергию через материал.
Именно это снижение электрон-фононных и фонон-фононных столкновений позволяет теплу распространяться с минимальным сопротивлением — словно по идеально гладкому шоссе без пробок.
Экспериментальные данные были получены с помощью передовых методов: синхротронного рентгеновского рассеяния и сверхбыстрой оптической спектроскопии. Эти технологии позволяют наблюдать, как тепловая энергия, переносимая электронами, распространяется по материалу буквально в течение пикосекунд после короткого светового импульса.
Результаты однозначно подтвердили: θ-TaN проводит тепло с эффективностью, ранее считавшейся недостижимой для металлов. Фактически это означает, что классические теоретические ограничения теплопроводности можно превзойти.
Зачем это нужно на практике
Значение открытия выходит далеко за рамки фундаментальной физики. Если теплопроводность металлов действительно можно поднять на новый уровень, это напрямую повлияет на проектирование высокопроизводительной электроники, аэрокосмических систем и даже квантовых устройств, где температурная стабильность критически важна.
В эпоху ИИ-ускорителей, работающих на пределе тепловых возможностей, такие материалы могут позволить создавать более компактные и холодные архитектуры. Руководитель исследования Ёнцзе Ху называет тета-фазу нитрида тантала «принципиально новой и превосходящей альтернативой» для систем теплового менеджмента следующего поколения.
Лаборатория Ху уже почти десять лет находится на переднем крае исследований теплопроводящих материалов. Ранее эта же группа открыла арсенид бора — полупроводник с рекордной теплопроводностью — и успешно интегрировала его в устройства на основе нитрида галлия для охлаждения чипов.
Теперь к этому полупроводниковому рекордсмену добавился металлический аналог. И не исключено, что в будущем θ-TaN не просто дополнит существующие решения, а станет новым стандартом в мире высокоэффективного охлаждения.
