2010-08-11

馴伏野蠻的聲子

Taming the wild phonon
http://www.physorg.com/news188466491.html

By David L. Chandler, March 22, 2010

(PhysOrg.com) -- 在 MIT 與其他地方的的研究者,成功地創造出一種合成的結晶體,能非常有效地控制熱的傳遞 -- 在中途阻止它並將它反射回去。這項進展能導致新的隔熱材料,在阻隔熱的逸散上,比目前任何隔熱材料都更有效率。

這種結晶體結構由二氧化矽(絕大多數微晶片中介電層的基本成份)以及某種聚合物材料交錯堆疊而成。所產生的雙成分(two-component)材料成功地反射聲子(phonons) -- 一種振動波(vibrational waves),是一般熱或聲的載體,(差異)端賴其頻率。在此例中,聲子在 gigahertz 這個範圍 -- 換言之,低能階熱(low-level heat)。

Edwin L. Thomas,MIT 材料科學與工程系系主任、Morris Cohen 材料科學與工程系教授,是一篇新論文的共同作者,那發表在 3/10 的 Nano Letters 期刊上,那描述某些位於超高音速(hypersonic,超音速)範圍的聲子晶體(phononic crystals),其頻率高於聲的範圍,故可納入熱的範圍考慮。

聲子有時會被視為粒子,有時則是振動波(vibrational waves),類似於光的波與粒子雙重本質。在物理學上,聲子有時被視為(manifested)一種密集變化、穿越某物質的波,如同你將小孩的彈簧玩具拉長,然後在某一端猛推時,沿著彈簧行進的壓縮波。

Thomas 說,聲子(那存在於所有固體中)通常是種討厭的東西,冷卻系統時必除之而後快。它們受到 "詆毀與忽視,但如果我們能訓練它們以達到我們的預期目標(do tricks for us),它們可是具有明日之星般的吸引力。" 此外,不管是電腦、手機到汽車與發電廠等一切事物,那還能導致高效率的、目前遭浪費掉的餘熱利用(scavenging heat)方式,可藉此產生電力。這項最新研究,由 NSF 以及德國的對等機構 DFG 資助,目前仍在初步階段,他說:"那是在這條路上跨出一步。"

藉由製造出結晶體般的結構,能使聲子受到控制。在這項最新研究中, Thomas 及其德國、希臘的同僚製造出「單維週期(one-dimensional periodic)」結晶體結構,意思是雖然此材料是三維的,不過其規律變化的分子結構 -- 在此例中,二種不同材料交替成層 -- 僅在單一方向上發生改變,就像香草與巧克力冰淇淋那樣一層又一層交錯堆疊。所以,如果你光看單層,那裡只有一致的顏色,但如果挖穿這個堆疊,你能看見規律交替的層次。當相似層次間的空隙與聲子的波長相符時,聲子會被阻擋並反射回去。

從新開發材料反射回來的聲子在低頻熱(任何高於絕對零度的東西均被視為含熱,而那起因於振動波的運動)的範圍內。因此,這個反射器目前只能在亞冷凍(sub-freezing)溫度下運作。未來減少每層厚度的研究將能把它推向理論上「完美隔熱材料」的範疇,那能在室溫環境中阻擋某些頻率範圍的熱。而這將開啟一連串的應用。

沒有材料曾到達完美的境界,但即使是「將很高百分比的熱反射回去」的材料,都能大幅改善目前的隔熱材料。例如,需要在嚴寒環境中維持溫度的研究儀器,有了一層這樣的材料,就能用來在封裝中維持溫度。

這樣的應用還要多久? "如果你不在乎價格,那就不遠矣," Thomas 表示 -- 那可能是某些用途,例如太空船或是部署在南極洲儀器,會用的東西。而且,隨著這項技術的發展與產量的提升,價格終將能降到可有更廣泛應用的程度。

Ihab El-Kady(Sandia 國家實驗室的研究者)表示,雖然當前許多聲子研究涉及二維或三維結晶體的創造(那也許有更廣泛的長期應用),不過在單維晶體的研究中,也有了某些進展,如 Thomas 等人在此研究中所完成的。

"在製造簡易性上,一維系統表現仍佳,而且對於聲子晶體的物理機制能提供獨特的洞見," 他說。"在這樣的觀點下,這篇論文代表著一種新穎且充滿洞見的工具," 能分析基礎的波現象,以及聲子與其他粒子(如光子)之間的交互作用。"

聲子絕大部份的早期研究都在處理聲波頻率,那能使用更大的結晶體結構來操縱,不過在奈米科技中的進步,也許有可能創造出某種材料,其結構小到足以對付高頻、短波長與熱相關的聲子。

理解聲子控制裝置巨大潛力的最好方法是,將它們與控制電子或光子的裝置相比,Thomas 說。他解釋,我們對於電子與光子(那分別荷載電與光)愈來愈多的理解,導致這幾十年來的科技創新,包括雷射、電晶體、太陽能電池與微晶片的發明。這些基礎發明,接著使定義現代生活的絕大多數裝置成為可能,例如手機、電腦、DVD 播放器、平版電視。現在,有許多人試著了解聲子,他說,那能導致類似的新(而且不可預測的)技術擴展。

結果,Thomas 表示,聲子領域 "有一飛沖天的潛力。"

※ 相關報導:

* One-Dimensional Hypersonic Phononic Crystals
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl903959r
N. Gomopoulos, D. Maschke, C. Y. Koh, E. L. Thomas, W. Tremel,
H.-J. Butt and G. Fytas
Nano Lett., 2010, 10 (3), pp 980–984
doi: 10.1021/nl903959r
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