作者罗伯特·帕金斯，加州理工学院 这是BaTiS3晶体的高分辨率扫描电子显微镜图像，上面覆盖着显示晶体中单个原子取向的插图
尽管晶体在原子上完美无缺，但它在传输热能方面却出乎意料地差
信用:加州理工学院/南加州大学/ORNL 晶状固体BaTiS3(钡钛硫化物)导热能力很差，事实证明是同时存在于两个地方的一个任性的钛原子造成的
这一发现由加州理工学院、南加州大学和能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员做出，发表在11月27日的《自然通讯》杂志上
它提供了一个基本的原子层面的视角，来观察在几种材料中观察到的不寻常的热性质
研究人员对这项工作特别感兴趣，他们正在探索导热性差的结晶固体在热电应用中的潜在用途，在热电应用中，热量直接转化为电能，反之亦然
“我们发现，即使在熟悉的条件下，如室温，量子力学效应也能在设定材料的热传输特性方面发挥巨大作用，”加州理工学院机械工程和应用物理学教授、《自然通讯》论文的合著者奥斯汀·明尼希说
晶体通常擅长导热
根据定义，它们的原子结构是高度有序的，这使得原子振动——热量——以波的形式流过它们
另一方面，眼镜很难导热
它们的内部结构是无序和随机的，这意味着振动在通过时会从一个原子跳到另一个原子
BaTiS3属于一类称为钙钛矿相关硫族化合物的材料
南加州大学维特比学院的默克家族化学工程和材料科学系的助理教授贾亚康思·拉维钱德朗和他的团队一直在研究它们的光学特性，最近开始研究它们的热电应用
“我们有预感BaTiS3的热导率会很低，但这个值出乎意料地低
拉维钱德朗说:“我们的研究显示了一种实现低热导率的新机制，所以下一个问题是，系统中的电子是否像热一样无缝流动，以获得良好的热电性能。”
研究小组发现BaTiS3和其他几种结晶固体一样，具有“玻璃般”的导热性
它的导热率不仅与无序玻璃相当，而且随着温度的降低，它的导热率实际上变得更差，这与大多数材料相反
事实上，它在低温下的导热率在任何完全致密(无孔)的固体中是最差的
研究小组发现，每个BaTiS3晶体中的钛原子都存在于众所周知的双势阱中——也就是说，原子结构中有两个空间位置是原子想要的
钛原子同时存在于两个地方，这就产生了所谓的“两能级系统”
“在这种情况下，钛原子有两种状态:基态和激发态
传递的原子振动被钛原子吸收，钛原子从基态进入激发态，然后迅速衰变回到基态
吸收的能量以振动的形式向随机方向发射
这种振动吸收和发射的总体效果是能量被分散而不是干净地转移
举个例子，用钛原子作为霜，通过磨砂玻璃照射光线；入射波偏离钛，只有一部分穿过材料
两能级系统早已为人所知，但这是第一次直接观察到足以在50至500开尔文的温度范围内破坏单晶材料热传导的系统
研究人员利用ORNL的散裂中子源，用中子轰击BaTiS3晶体，观察到了这种效应，这一过程被称为非弹性散射
当中子穿过晶体时，它们获得或失去能量
这表明能量在某些情况下是从两能级系统吸收的，而在另一些情况下是传递给它们的
“解决这个关于钛原子的结构和动力学的谜团需要真正的侦探工作
ORNL大学的高级研究员、《自然通讯》论文的合著者迈克尔·曼利说:“起初，原子似乎只是位置紊乱，但势阱的浅意味着它们不能在它们的位置上停留很长时间。”
这时，ORNL大学的研究员拉斐尔·赫尔曼建议对双井进行量子计算
“当然，原子可以隧穿是众所周知的，但是我们没有想到在晶体中能以如此高的频率看到如此大的原子
但量子力学是清楚的:如果阱之间的势垒足够小，那么这种高频隧穿确实是可能的，并且应该会导致强声子散射，从而产生类似玻璃的热导率，”曼利说
产生具有低热导率的结晶固体的常规方法是在这些固体中产生许多缺陷，这对其它性能如电导率是有害的
因此，对于热电应用来说，非常需要一种设计低热导率晶体材料而不损害电学和光学性能的方法
一小撮结晶固体表现出同样差的导热性，因此该团队下一步计划探索这种现象是否也应归咎于这些材料
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