网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

颠覆!热量竟然能像光一样直线传播,科学家拍到了热量扩散照片

0
分享至

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。

声明:个人原创,仅供参考

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
山东临清一大桥步道桥板脱落致行人坠亡,13年前被评为省文保单位却年久失修

山东临清一大桥步道桥板脱落致行人坠亡,13年前被评为省文保单位却年久失修

澎湃新闻
2026-09-06 08:40:29
哈兰德一剑封喉,独享队史第1人!1.45亿欧先生首秀,曼城1-0升班马

哈兰德一剑封喉,独享队史第1人!1.45亿欧先生首秀,曼城1-0升班马

钉钉陌上花开
2026-09-05 23:52:19
郑钦文:在最开始0-5落后时,我心想不能被零封吧,太丢人了

郑钦文:在最开始0-5落后时,我心想不能被零封吧,太丢人了

懂球帝
2026-09-06 03:04:13
山东一股民1000元买入宇树科技,死扛13天,彻底绝望了

山东一股民1000元买入宇树科技,死扛13天,彻底绝望了

财经智多星
2026-09-06 07:11:29
关税重创海外PC市场!1.1万元买RTX 3050笔记本、美国同价直接上5070 Ti

关税重创海外PC市场!1.1万元买RTX 3050笔记本、美国同价直接上5070 Ti

快科技
2026-09-05 19:14:05
君子报仇十年不晚!72名以议员直接绕开中国,支持台湾加入国际组织,可他们没想到中国转头支持巴勒斯坦建国

君子报仇十年不晚!72名以议员直接绕开中国,支持台湾加入国际组织,可他们没想到中国转头支持巴勒斯坦建国

扶苏聊历史
2026-09-05 17:13:58
“全球首款”乙肝治愈药日本开卖!中国正在审,7500万人在等?

“全球首款”乙肝治愈药日本开卖!中国正在审,7500万人在等?

李云飞Afey
2026-09-05 17:30:10
正式告别机顶盒,全国开始部署

正式告别机顶盒,全国开始部署

鲁中晨报
2026-09-05 17:14:04
“葫芦娃爷爷”摘了葫芦,绍兴文旅:把安宁与清净还给老人

“葫芦娃爷爷”摘了葫芦,绍兴文旅:把安宁与清净还给老人

澎湃新闻
2026-09-06 07:16:27
美网:6连胜,郑钦文世界排名飙升41位!连爆5大冷门16强决出10席

美网:6连胜,郑钦文世界排名飙升41位!连爆5大冷门16强决出10席

求球不落谛
2026-09-06 04:22:00
今起南北方天气转折,北方迎大范围降雨南方多地热意再次回归

今起南北方天气转折,北方迎大范围降雨南方多地热意再次回归

界面新闻
2026-09-06 09:44:32
笑发财了,果然穷人是不适合旅游的,网友:和家里没两样!

笑发财了,果然穷人是不适合旅游的,网友:和家里没两样!

夜深爱杂谈
2026-09-05 20:50:12
亚太各界人士的APEC期待

亚太各界人士的APEC期待

新华社
2026-09-05 22:01:03
1个月内,省委书记、省长为何先后走进这座古城?

1个月内,省委书记、省长为何先后走进这座古城?

新京报政事儿
2026-09-06 08:42:03
普京会见美国总统特使细节:时长超3小时,普京给美特使提要求

普京会见美国总统特使细节:时长超3小时,普京给美特使提要求

政知新媒体
2026-09-06 09:15:58
武大风波为何这么大?原来安大副校长原配政工出身!

武大风波为何这么大?原来安大副校长原配政工出身!

稿得轻松
2026-09-05 21:22:50
新京报那条被删的报道,每个字都写满了荒诞

新京报那条被删的报道,每个字都写满了荒诞

清书先生
2026-09-05 17:33:47
教育部部长怀进鹏:人口“排浪”来袭,教育将面临史无前例的洗牌

教育部部长怀进鹏:人口“排浪”来袭,教育将面临史无前例的洗牌

混沌录
2026-09-05 11:23:05
奇迹!郑钦文2-1逆转,决胜盘0-5到7-5,杀进美网16强,322万奖金

奇迹!郑钦文2-1逆转,决胜盘0-5到7-5,杀进美网16强,322万奖金

侃球熊弟
2026-09-06 01:45:21
悲催!在韩遇难女留学生的国内男友,终究没能去成韩国,连最后送别,都成了他遥不可及的奢望

悲催!在韩遇难女留学生的国内男友,终究没能去成韩国,连最后送别,都成了他遥不可及的奢望

火山詩话
2026-09-06 06:17:32
2026-09-06 10:23:00
窥探宇宙1 incentive-icons
窥探宇宙1
分享天文最新消息,宇宙探索视频
320文章数 366关注度
往期回顾 全部

科技要闻

DeepSeek被曝将采购16万颗华为昇腾950DT

头条要闻

大桥步道桥板脱落致行人坠亡 当地:断裂风险不好察觉

头条要闻

大桥步道桥板脱落致行人坠亡 当地:断裂风险不好察觉

体育要闻

本西蒙斯加盟国王,不管怎样,回来就好

娱乐要闻

阿Sa蔡卓妍首度求婚细节,感动落泪

财经要闻

被曝试药后死亡,药企董事竟怒怼记者

汽车要闻

带升降立标MPV 岚图梦想家9预售价42.99万起

态度原创

教育
家居
艺术
时尚
房产

教育要闻

三年级培优题,求图形面积

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

艺术要闻

别再说外星人了!三星堆最新发掘,直接实锤“龙的传人”

金秋最流行的鞋子,“红色”更时髦!

房产要闻

突发重磅!海口出台楼市新政!

无障碍浏览 进入关怀版