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美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员首次观察到，原子重组的波形能够在振动的晶格中以超声速传播，该发现能够动态改进绝缘体中的热量传输，支持未来电子器件中热量管理的新策略。研究成果发表在《自然通信》上。 图为在硅钛钡石（fresnoite）晶格进行中子散射研究的示意图 绝缘体在电子器件中是必需的，以防止短路，但由于没有自由电子，热量传输被限制在原子运动的能量中。因此，通过绝缘层中原子的运动来了解热量的传输很重要。 研究人员在硅钛钡石（fresnoite）中进行了中子散射。硅钛钡石是一种晶体矿物质，因其首次在加利福尼亚州夫勒斯诺（Fresno）市被发现而命名。因其具有的压电特性对于传感器应用具有重要前景，压电特性可使机械压力转变为电场。硅钛钡石有柔性晶体结构，能够在结构中产生不匹配其下晶体顺序的竞争性顺序，如一个不匹配瓷砖的层叠。原子振动受晶体中原子重组来激发，能够改变用于描述结构中失配情况的波的相位。 相位差异在折皱的晶格中累计，被称为孤波。孤波是使用极少能量传输的孤立波，并能够保持其波形。论文作者Manley说：“孤波在晶体中是一个严重变形的区域，在其中错位的原子数量众多，力-位移关系也并非线性。材料的坚硬程度在孤波中的得到提升，带来更快的能量传输。” 美国加州的Meggitt Sensing Systems公司的Raffi Sahul生长出了fresnoite单晶体，并提交给ORNL用于中子散射实验。Manley构思出如何衡量能量在晶体中的传递。“中子是研究这点最好的方式，因为其波长和能量与原子振动相匹配。” Manley与Paul Stonaha、Doug Abernathy、John Budai一起使用散裂中子源（SNS）的飞行时间（TOF）中子散射进行测量，还与Stonaha、Songxue Chi和Raphael Hermann使用高通量同位素堆（HFIR）的三轴神经元散射共同进行测量。 在SNS，科学家使用带有不同能量的中子脉冲源开始试验，并使用ARCS设备，该设备在窄能量范围内选择中子，然后将其散射到样品上，这样探测就能够在一个大范围内匹配能量和动量传递。Abernathy说“大测量面积对于该研究很重要，因为特性往往并不出现你通常希望其出现的区域。这给与了中子测量一个极大的机会来确定原子振动传播的速度，使用其色散曲线的斜率进行计算。” Abernathy说“一旦SNS测量结果告诉我们去哪寻找，我们使用HFIR的三轴光谱法来提供中子的常数通量，并聚焦到一点上。橡树岭国家实验室独特的一点是我们有世界级散裂源和世界级反应源来进行中子研究。我们能够设设施间进行反复试验，真正获得事情的全面认识。” 科学家使用中子散射来测量原子振动，与纵向声波和横向声波的自然限速相比，速度大约分别是其的2.8倍和4.3倍。Manley说：“我们并未期盼他们能够运动得那么快而没有衰退。” 论文作者Michael Manley说：“该发现提供了控制热量流的不同方式，这种方式使得纯原子运动的能量传递以比你从原子振动中得到的更快。该捷径有望在纳米材料热管理中开启新的可能性，如为热断路器提供更多可能性。” 下一步研究人员将探索如像fresnoite一样的其他晶体，磁场所施加的压力可能改变旋转，温度的改变也可能改变特性。 M. E. Manley, P. J. Stonaha, D. L. Abernathy, S. Chi, R. Sahul, R. P. Hermann, J. D. Budai. Supersonic propagation of lattice energy by phasons in fresnoite. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-04229-1
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