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原子间热量流动靠声子隧道

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来源: 作者: 2019-05-17 02:05:12

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热量如何从一个物体传递到另一个物体?通常我们会想到,热传导和热辐射。近日,美国科研团队发现了热量活动的另一种方式——“声子隧道”。

热量活动的经典方式确切是热传导和热辐射:热传导是存在物理接触的物体之间热量流动的过程,比如烧在火炉上的一壶茶水;热辐射则描述了热量在远距离之间的流动,比如太阳发射出的热量。这两种基本的热量传递过程解释了热量在微观和宏观距离之间的转移。但是对科学家而言,搞清楚热量在亚纳米级的间隙中如何活动一直是个大困难。

据物理学家组织近道,美国科研团队凭仗新的热量传递模型解释了间隙小于1纳米的物体之间的热量传递过程。他们发现,在亚纳米级的间隙中,热量其实不通过热传导或热辐射进行流动,而是通过所谓的“声子隧道”。

声子是晶体点阵中的原子在震动时产生的能量单元。例如,一粒食盐晶体中包括像格一样排列的钠原子和氯原子,这些原子会一洪京一:海峡两岸在物联网领域各存优势应加强互补
起震动并制造出能够在晶体点阵中传递热量的机械波。

科学家通常认为,这些机械波或声子只能在物体内承载热量,没法在物体之间传递热量。但是,最新研究发现,声子可以穿过亚纳米级的间隙,像“钻隧道”一样从这个物体到达另一个物体进行热量传递。

这个发现要得益于科研人员依据格林函数和微观麦克斯韦尔方程组设计出的新型热量传递模型,该模型允许科研人员对每一个原子的电磁场进行丈量。借助这个模型,他们探究了两个距离为1纳米的氯化钠晶体点阵之间的热量传递过程。按照经典理论,原子震动或声子没法在超过几个原子的距离中进行热量传递,但实验发现,原子的磁场合力可以为声子“搭桥”让它们通过并传递热量。

在过去几十年中,科学家一直试图解释热量在更小的距离之间是如何传递的。有几个科研团队曾在实验中测量了几十纳米间距中的热辐射过程。然而,当丈量的间距调得越来越小时,科研人员开始怀疑现有理论的有效性:现有的模型大多基于热辐射理论,而这种理论却抹去了热量在原子之间传递的细节。

参与该项研究的科研人员称,热量在亚纳米级间隙中的传递一直缺乏合理的理论解释,而应用新设计的热量传递模型发现的“声子隧道”则弥补了这个空白。

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