Only Perception: 馴伏野蠻的聲子

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