新的研究揭示了费解和矛盾的传热行为

诸平

Fig. 1 An illustration of a boron arsenide crystal placed between two diamonds in a controlled chamber with thermal energy transported under extreme pressure. Credit: The H-Lab/UCLA

Fig. 2 Thermal conductivity measured from in-situ spectroscopy experiment showing the activity slowing down under high pressure. Credit: The H-Lab/UCLA

据美国加州大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles简称UCLA）2022年11月28日报道，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员和两家美国国家实验室的同事们发现了一条新的物理原理，它控制着热量如何在材料中传递，这一发现与传统观点相矛盾（New research unearths obscure and contradictory heat transfer behaviors），传统观点认为热量总是随着压力的增加而移动得更快。相关研究结果于2022年11月23日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Suixuan Li, Zihao Qin, Huan Wu, Man Li, Martin Kunz, Ahmet Alatas, Abby Kavner, Yongjie Hu. Anomalous thermal transport under high pressure in boron arsenide. Nature, Published: 23 November 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-05381-x. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05381-x

参与此项研究的除了来自美国UCLA的研究人员之外，还有来自美国劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory, CA, USA）和美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory, IL, USA）的研究人员。

直到现在，这一（即热量总是随着压力的增加而移动得更快）共同的信念在有记录的观测和涉及不同物质（如气体、液体和固体）的科学实验（scientific experiments）中都是正确的。

研究人员在《自然》（Nature）杂志发表的一项研究中，详细介绍了他们的发现。他们发现砷化硼（boron arsenide）也有独特的特性，砷化硼已经被视为热管理（heat management）和先进电子学（advanced electronics）的极有前途的材料。在达到比海底压力高数百倍的超高压后，砷化硼的热传导率实际上开始下降。

结果表明，在极端条件（extreme conditions）下，可能存在其他材料也会经历同样的现象。这一进步还可能催生新材料，用于智能能源系统（smart energy systems），内置“压力窗口”，系统只在一定压力范围内开启，达到最大压力点后自动关闭。

加州大学洛杉矶分校萨缪尔工程学院（UCLA Samueli School of Engineering）的机械和航空工程副教授、此项研究负责人、上述论文通讯作者胡永杰（Yongjie Hu音译）说：“这项基本研究发现表明，压力依赖的一般规律在极端条件下开始失效。我们期望这项研究不仅为修正目前对热运动的理解提供一个基准，而且还可能影响对极端条件的既定模型预测，例如在地球内部发现的极端条件，在那里无法直接测量。

据胡永杰教授说，这项研究的突破可能也会导致冲击波研究中使用的标准技术的更新。上述图2从原位光谱实验测得的热导率表明，在高压下活性减慢。

与声波通过铃铛传播的方式类似，热通过原子振动的方式在大多数材料中传播。当压力将材料内部的原子挤压得更紧时，它使热量能够以更快的速度，一个原子一个原子地通过材料，直到其结构崩溃或转变为另一种相态。

然而，砷化硼的情况并非如此。研究小组观察到，在极端压力（extreme pressure）下，热量的移动速度开始变慢，这表明可能是由于压力增加时热量在结构中振动的方式不同而造成的干扰，类似于重叠的波浪相互抵消。这种干扰涉及到高阶的相互作用，而教科书中的物理理论无法解释这些相互作用。

结果表明，在一定的压力范围内，矿物的热导率会达到最大值。上述论文的作者之一、UCLA地球、行星和空间科学教授艾比·卡夫纳（Abby Kavner）说：“如果适用于行星内部，这可能会提供一种内部‘热窗’的机制——行星内部的一层，热流的机制与行星内部的上下层热流机制是不同的。像这样的层可能会在大型行星的内部产生有趣的动态行为。”

为了在极高的压力环境下进行热传递实验，研究人员在一个可控的室内将一颗砷化硼晶体置于两颗钻石之间并将其压缩（Fig. 1）。然后，他们利用量子理论（ quantum theory）和多种先进的成像技术，包括超快光学和非弹性X射线散射测量，来观察和验证这种以前未知的现象。

本研究得到了美国国家科学基金会(National Science Foundation简称NSF) 的职业成就奖（CAREER Award from the NSF under grant no. DMR-1753393）、阿尔弗雷德·斯隆研究奖学金（Alfred P. Sloan Research Fellowship under grant no. FG-2019-11788）、以及Vernroy Makoto Watanabe杰出研究奖（Vernroy Makoto Watanabe Excellence in Research Award）的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Researchers find an unusual way in which a material conducts heat when it is compressed

Abstract

High pressure represents extreme environments and provides opportunities for materials discovery^{1,2,3,4,5,6,7,8}. Thermal transport under high hydrostatic pressure has been investigated for more than 100 years and all measurements of crystals so far have indicated a monotonically increasing lattice thermal conductivity. Here we report in situ thermal transport measurements in the newly discovered semiconductor crystal boron arsenide, and observe an anomalous pressure dependence of the thermal conductivity. We use ultrafast optics, Raman spectroscopy and inelastic X-ray scattering measurements to examine the phonon bandstructure evolution of the optical and acoustic branches, as well as thermal conductivity under varied temperatures and pressures up to 32 gigapascals. Using atomistic theory, we attribute the anomalous high-pressure behaviour to competitive heat conduction channels from interactive high-order anharmonicity physics inherent to the unique phonon bandstructure. Our study verifies ab initio theory calculations and we show that the phonon dynamics—resulting from competing three-phonon and four-phonon scattering processes—are beyond those expected from classical models and seen in common materials. This work uses high-pressure spectroscopy combined with atomistic theory as a powerful approach to probe complex phonon physics and provide fundamental insights for understanding microscopic energy transport in materials of extreme properties.