原子間熱量流動靠“聲子隧道”
- 發佈時間：2015-04-10 01:30:57 來源：科技日報 責任編輯：羅伯特
科技日報北京4月9日電 （記者劉園園）熱量如何從一個物體傳遞到另一個物體？通常我們會想到，熱傳導和熱輻射。近日，美國科研團隊發現了熱量流動的另一種方式——“聲子隧道”。
熱量流動的經典方式確實是熱傳導和熱輻射：熱傳導是存在物理接觸的物體之間熱量流動的過程，比如燒在火爐上的一壺茶水；熱輻射則描述了熱量在遠距離之間的流動，比如太陽發射出的熱量。這兩種基本的熱量傳遞過程解釋了熱量在微觀和宏觀距離之間的轉移。但是對科學家而言，搞清楚熱量在亞奈米級的間隙中如何流動一直是個大難題。
據物理學家組織網近日報道，美國科研團隊憑藉新的熱量傳遞模型解釋了間隙小于1奈米的物體之間的熱量傳遞過程。他們發現，在亞奈米級的間隙中，熱量並不通過熱傳導或熱輻射進行流動，而是通過所謂的“聲子隧道”。
聲子是晶體點陣中的原子在震動時産生的能量單元。例如，一粒食鹽晶體中包含像網格一樣排列的鈉原子和氯原子，這些原子會一起震動並製造出能夠在晶體點陣中傳遞熱量的機械波。
科學家通常認為，這些機械波或聲子只能在物體內承載熱量，無法在物體之間傳遞熱量。但是，最新研究發現，聲子可以穿過亞奈米級的間隙，像“鑽隧道”一樣從這個物體到達另一個物體進行熱量傳遞。
這個發現要得益於科研人員依據格林函數和微觀麥克斯韋爾方程組設計出的新型熱量傳遞模型，該模型允許科研人員對每個原子的電磁場進行測量。借助這個模型，他們探究了兩個距離為1奈米的氯化鈉晶體點陣之間的熱量傳遞過程。按照經典理論，原子震動或聲子無法在超過幾個原子的距離中進行熱量傳遞，但實驗發現，原子的磁場合力可以為聲子“搭橋”讓它們通過並傳遞熱量。
在過去幾十年中，科學家一直試圖解釋熱量在更小的距離之間是如何傳遞的。有幾個科研團隊曾在實驗中測量了幾十奈米間距中的熱輻射過程。然而，當測量的間距調得越來越小時，科研人員開始懷疑現有理論的有效性：現有的模型大多基於熱輻射理論，而這種理論卻抹去了熱量在原子之間傳遞的細節。
參與該項研究的科研人員稱，熱量在亞奈米級間隙中的傳遞一直缺乏合理的理論解釋，而運用新設計的熱量傳遞模型發現的“聲子隧道”則填補了這個空白。
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