陕西
热量能不能像光线一样，沿着指定路径笔直传播？
2026年7月23日发表在《自然·物理学》上的一项研究给出了肯定答案：科学家首次在室温下观测到热量以聚焦射线的形式定向传播，打破了我们对热传导的固有认知。
固体中的热量，本质是原子的微小振动。
这些振动不会停在原地，会顺着原子间的作用力逐格传递，就像水面荡开的波纹。
在量子力学中，这种振动的最小能量单元被称为“声子”，它就像搬运热量的能量小包，它同时具备粒子与波的双重特性。
日常环境里，热量之所以总是均匀向四周扩散，根源在于常温下固体内部的声子数量多、运动杂乱，彼此间不停碰撞。
这种扩散式热传导，是教科书里的经典规律，也是我们习以为常的生活常识。
但物理学家早就知道一种反常识的可能——声子聚焦。
当声子的波动性质占据主导时，热量会像光线通过透镜一样，集中在几个特定方向上传播，形成清晰的热射线。
只不过半个世纪以来，这种现象只能在接近绝对零度的极低温下观测到：温度足够低时，声子数量大幅减少，碰撞概率极低，波动的特性才能完整保留下来。
这种只能存在于极端低温的现象，长期被认为没有实际应用价值，毕竟室温下声子碰撞如此频繁，热射线刚形成就会被撞散。
直到超高导热材料砷化硼的深入研究，让事情出现了转机。
砷化硼是一种半导体晶体，室温下热导率可达1300 W/(m·K)，远超绝大多数常见半导体材料，是目前已知导热性能最优的半导体之一。
它的超强导热能力，本质就在于内部声子的碰撞概率极低，能传播很远的距离才发生散射。
加州大学洛杉矶分校胡永杰团队由此提出猜想：既然砷化硼里的声子跑得远、干扰少，它会不会在室温下也能出现声子聚焦？
为了验证这个猜想，团队开发了一套纳米级温度成像技术。
他们先在砷化硼晶体表面铺一层仅一个分子厚的特殊涂层，再用一根针尖极细的金针对准表面，通过电流加热针尖正下方的区域，制造出一个纳米级的微小热点。
温度越高的位置，涂层分子越容易因热作用脱离表面；温度越低，分子保留得越完整。
结合针尖增强的拉曼光谱扫描表面，检测涂层分子的信号强度，就能反推出每个位置的精确温度，分辨率达到纳米级别。
用这套设备观测普通金膜时，热点周围的温度分布是均匀的圆形，和经典扩散现象完全一致。
但当观测对象换成砷化硼晶体时，截然不同的画面出现了：热点周围并不是圆润的温度圈，而是伸出六道笔直细长的热射线，像六角星一样向外延伸。
热量没有均匀四散，而是集中在这六个方向上快速传播，这正是声子聚焦的典型特征。
更具突破性的是，这一切都发生在室温环境中。
原本只能在极低温实验室里观测到的声子聚焦效应，第一次在日常温度下清晰显现。
团队进一步实验发现，热射线的图案并非固定不变，而是完全由晶体的切割方向决定。
沿着不同晶面切割砷化硼，射线数量会发生规律性变化：(111)晶面对应六道射线，(100)晶面对应八道，(110)晶面则只有四道。
这种差异的根源藏在原子排布里。
不同晶面的原子排列对称性不同：(111)面上的原子构成三角形网格，天然存在六个最对称、振动最容易通过的方向；(100)面是正方形网格，对应八个优先传播方向；(110)面的对称性更低，就只剩四条导热道。
简单来说，晶体的原子结构预先铺好了热量的优先通道，声子会自发沿着这些通道行进，最终形成聚焦的热射线。
结合第一性原理计算，团队不仅完美复现了实验现象，还发现了更反直觉的结论：在聚焦的热射线方向上，单位角度的热传导峰值甚至超过了均匀弹道热输运的理论上限。
这并非打破了热传导的物理极限，而是声子聚焦将原本分散在其他方向的热流集中到了对称轴上，相当于把热量聚拢到了几条通道里，因此这些方向的局部热流密度会超过均匀分布时的弹道输运水平。
目前实验中，室温下热射线的传播距离约为250纳米。
这个尺度看似微小，但在纳米芯片的尺度下已经非常可观，先进芯片的制程已进入几纳米级别，这个传播距离足够在器件之间引导热量。
如果进一步优化材料纯度、减少晶体缺陷，声子传播距离还能提升至微米级，完全可以满足芯片内部的热管理需求。
这项发现的价值远不止于实验室里的新奇现象。
传统散热是等热量扩散后再收集带走，效率天然受限；如果能让热量沿指定路径直接从热源传导到散热端，芯片散热效率将迎来质的飞跃。
无论是高算力AI芯片，还是对温度波动极其敏感的量子器件，都能从中受益。
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