Квантовые прорывы в термодинамике: тепло идет наперекор классическим законам

Ученые зафиксировали два фундаментальных прорыва в понимании переноса тепла, которые ломают классические представления термодинамики и открывают пути к революционным системам охлаждения электроники будущего. В августе 2026 года были опубликованы результаты двух независимых исследований: одно демонстрирует сфокусированное волновое распространение тепла при комнатной температуре, а второе — аномальный тепловой поток от холодного к горячему с помощью квантового переключателя.

Волновой перенос тепла в арсениде бора при комнатной температуре

25 августа 2026 года издание 3DNews опубликовало материал Геннадия Детинича о работе, опубликованной в Nature Physics. В классической физике тепло распространяется равномерно во все стороны по принципу диффузии — именно на этом построены все существующие системы охлаждения. За перенос тепла в твердых телах отвечают фононы, квазичастицы, представляющие собой кванты колебаний кристаллической решетки. В обычных материалах при 300 К фононы постоянно рассеиваются на других фононах, дефектах и границах кристалла, поэтому волновой характер быстро переходит в хаотичное диффузионное распространение.

Исследователям удалось преодолеть это ограничение, используя арсенид бора — материал с необычно слабым рассеянием фононов. Благодаря этому фононы в нем сохраняют волновые свойства на значительно больших расстояниях. Для обнаружения эффекта ученые разработали метод наноразмерного картирования температуры с использованием нагревателя из золотой нанопроволоки, который одновременно служил детектором.

В обычных материалах источник тепла создавал примерно круговую картину распространения. В кристалле арсенида бора вместо этого появились выраженные лучеобразные структуры. Их геометрия зависела от ориентации кристаллической решетки: на разных кристаллографических плоскостях наблюдались четырех-, шести- и восьмилучевые картины. Экспериментальные результаты точно совпали с теоретическими расчетами. Наблюдение проводилось при температуре окружающей среды 27 °C, что делает открытие применимым в обычных условиях.

Квантовый демон Максвелла и обратный тепловой поток

Ранее, 10 августа 2026 года, TechInsider сообщило о другой работе, опубликованной в Physical Review Letters. Группа ученых из Китая, Гонконга и Италии под руководством Чжун-Сяо Маня экспериментально продемонстрировала передачу тепла от более холодного объекта к более горячему без нарушения законов термодинамики. Работу осветил Владимир Губайловский.

Ключевой особенностью эксперимента стало использование явления неопределенного причинного порядка. В квантовой физике объекты могут находиться в суперпозиции состояний, и это касается не только характеристик частиц, но и самой последовательности событий. Для реализации такой суперпозиции ученые использовали квантовый переключатель на базе оптического интерферометра. В нем управляющий кубит направлял фотоны по двум разным путям, на которых порядок термических процессов был противоположным.

Физикам удалось не просто зафиксировать аномальный теплоперенос, но и создать квантовый двигатель, который одновременно охлаждает тело и совершает полезную работу. Когерентность управляющего кубита оказалась вполне реальным термодинамическим ресурсом. Когда квантовый демон направляет тепло вопреки классической логике, он расходует эту когерентность — состояние кубита «портятся», путается и разрушается. Для продолжения работы кубит нужно вернуть в исходное чистое состояние суперпозиции, что согласно принципу Ландауэра гарантированно требует затрат внешней энергии и выделения тепла в окружающую среду. Второе начало термодинамики при этом не нарушается: управляющий кубит выполняет функцию памяти демона, и его сброс компенсирует изменение энтропии.

Перспективы для электроники и квантовых компьютеров

Оба открытия имеют прямое отношение к решению главной проблемы современной микроэлектроники — теплового управления. По мере уменьшения техпроцессов плотность энергии в процессорах и AI-ускорителях достигает критических значений. Традиционные методы рассеивания тепла массивными кулерами и вентиляторами подходят к физическим пределам.

• Суперточечный отвод тепла: вместо рассеивания со всей поверхности чипа инженеры смогут «выкачивать» избыточную энергию направленными тепловыми потоками, отводя её строго в нужные точки
• Материалы нового поколения: арсенид бора и аналогичные кристаллы могут стать основой сверхэффективных тепловых интерфейсов
• Квантовая термотроника: по аналогии с электрическими цепями проектируются квантовые тепловые схемы — «тепловые диоды и транзисторы», управляющие потоками тепла так же точно, как электроника управляет током
• Охлаждение квантовых компьютеров: возможность точного управления тепловыми потоками критична для кубит, требующих микрокельвинских температур

Исследователи не скрывают практического интереса открытий. Умение задавать направление движения фононов структурой материала и использовать квантовую когерентность как термодинамический ресурс открывает путь к принципиально новой архитектуре тепловых систем — от потребительских процессоров до квантовых вычислительных комплексов.