由于超晶格结构热传导方面的最新研究，利用温度差产生电力的热电装置可能会更加高效。新的研究发现出人意料，通过纳米结构——仅几十亿分之一米厚度薄膜构成的材料，热能以波而非粒子形式传导。
热能，由物质中原子和分子往复振动产生，热传递通常以“随机游动”的形式，从而难以控制。最新的观察发现热能以全新的模式传递，称之为“相干流”，如同河塘里面有序移动的波纹。
在新材料的重要应用领域，上述发现为其精确定制热能流动提供了可能。例如，此项研究可能引导一种全新方式以摒弃电力装置或者半导体激光器产生的热量，而这种热量有碍甚至会破坏装置的性能。
本周《科学》杂志报道的这项工作，由麻省理工学院机械工程系研究生Luckyanova、博士后Garg、教授陈刚，以及其他麻省理工学院，波士顿大学，加州理工大学和波士顿学院的学生和教授合作进行。
研究涉及称之为超晶格的纳米结构材料——交替堆积砷化镓和积砷化镓薄片，每种薄片以所谓金属－有机化学气相沉积工艺依次电镀而成。
含有此种元素的化合物进行真空蒸发，进一步表面电镀，厚度可以通过沉积过程时间精确控制。合成的薄片仅仅12纳米厚度－约只相当于DNA分子的厚度，整个结构体的厚度变化范围从24纳米至216纳米。
研究人员先前认为，即使这种薄片达到原子层级的完美程度，当通过超晶格时，散射传热准粒子的薄层界面仍存在足够多的粗糙度。
之前认为，具有多薄片的物质，散射效应将会累积，进而破会声子的波效应，麻省理工CarlRichardSoderberg电力工程教授陈刚表示。但这种猜测尚未证实，因此他及其同事决定重新检测这种进程。
事实上，由Luckyanova进行的实验和Garg展开的计算机模拟表明，当此类随机相散射于高频声子发生时，波效应于低频声子将得到保护。陈刚表示他对Luckyanova传回的首次实验数据表明“相干热传导确实发生”感到非常惊奇。
清楚依次控制这种相干性的因素，能够引导更好的举措突破相干性和减少热传导，陈刚透露。这让电力厂到电力设备的一切热电装置的废热量的利用成为可行。上述设施设备的应用需要导电性能非常良好而导热性能又及其差的材料。
这项研究也推动散热领域的发展，诸如针对电脑芯片的制冷技术。具备聚集和指示热流的能力能够更好进行此类装置的热能管理。陈刚说，研究人员尚不清楚怎样施加精确控制，但新的深入理解有所帮助。理解波基础机制能够“提供更多的措施操纵热能传递”。
Luckyanova说，应用于实验的两种材料有着非常相似的特性，导电性非常良好。但通过控制薄片的厚度和疏密程度，我坚信能够控制热能传导，同时产生热电装置需要的绝缘效果。
Grag说，材料薄片之间界面的作用尚未真正被人了解。之前的电脑模拟没能涵盖表明纹理变化的影响作用，但我认识到有办法模拟贯通薄层堆的声子移动路径中粗糙度的作用。
研究不仅为控制热流提供可能性（大部分以具有短波的声子传送），也用来控制声波的移动（主要以具有长波的声子进行）。陈刚说，这是一种重大基础研究发现。
研究工作就有重大发现很大程度得益于不同学科种类的研究人员相互合作，以及美国能源部资助的能量前沿中心——固态太阳能光热能量转换中心的推动，其在麻省理工定期举办多种跨学科会议。
“会议提供长期的富有成果的讨论，确实丰富研究内容”，Luckyanova说。小组中不同领域的成员“真切鼓舞着我们从各个角度击破这个问题。”
