科學建立
由於熱和聲音都是振動,為方便研究,物理學家在幾十年前構想出一種虛擬的基本粒子:聲子(Phonon)。聲子可以被理解為分子熱振動能量的具象化,在半導體材料里,聲子流就是熱流。
聲子、光子或電子,都是能像波一樣傳播的物理粒子,也代表著一種機械振動。聲子傳播著每天的聲音和熱量。聲子學研究已取得很大進步,科學家利用聲子特性控制聲音和熱量,帶來了許多新理念和新設備。
研究領域
美國喬治亞理工大學科學家在《自然》雜誌上發表述評文章,介紹了目前一門新興學科——聲子學的八個主題領域,八個主題領域是音波與熱學二極體、光力晶體、聲波與熱“斗篷”、超音速聲子晶體、熱電學和熱晶體學。
這些技術“預示了聲子學領域的下一代技術革命”,而所有這些領域都有一個共同的主旨:以不同的頻率操縱機械振動。
原理
聲子和電子很像,也會和電子相互作用。雜亂無章運動著的聲子,仿佛亂穿馬路的行人,搞得在路上列隊前行的電子不得不減速,這就增加了電阻,徒耗能源,還限制了晶片的速度。若將導體冷卻到足夠低溫,會出現零電阻和超導現象——從聲子的角度,這很好解釋:溫度夠低,分子安靜下來,聲子幾乎消失;此時,對電子來說,導線就像深夜的街道一樣空曠,可以暢通無阻。
超導對於輸電很有意義。但正如信息技術革命的重點並非處理超強電流,而是極其細微的電路和元器件,對聲子的進一步研究也逐漸轉向操控微小尺度體系的熱流。人們希望,參照微電子器件,發明一系列“聲子器件”。
套用
聲子學最熱門的領域是研發聲學和熱學超材料,以禁止聲波和熱流。聲子學禁止的方法是以電磁外罩材料為基礎,這些材料已經用於光學領域。其中一個研究熱點就是設計和製造斗篷、外罩類設備以控制聲波,引導聲波繞過特定目標,比如整棟建築,這樣對於聲波來說,外罩內的所有物體就是它探測不到的。這些技術有望帶來將熱轉化為其他能量的新設備,或二極體熱當量,幫助那些數據中心解決伺服器產生的大量廢熱的問題。