究人員開發(fā)了一種新穎的微觀理論，可以用非常普遍的方式描述熱傳輸，同樣適用于有序或無序的材料，如晶體或玻璃，以及介于兩者之間的任何東西。

這不僅是一個重要的第一個問題（迄今為止還沒有一個輸運方程能夠同時解釋這兩種體系）而且令人驚訝的是，它還表明，熱可以通過機械方式隧道量子，而不是像原子振動那樣擴散出去。新方程還首次對熱電材料的性能進行了準確預測。這種材料具有超低、玻璃般的導熱性，在能源研究中受到高度重視。

它們可以把熱量轉化成電能，或者不需要泵和有害環(huán)境的氣體就可以用電來冷卻。晶體和玻璃傳熱的方式根本不同，晶體中原子的規(guī)則排列意味著熱量是通過振動波的傳播來傳遞——例如，在計算機的硅芯片中就發(fā)生了這種情況。在原子尺度上無序排列的玻璃中，通過隨機的振動跳躍，熱量的傳遞要慢得多。20世紀物理學家魯?shù)婪颉づ鍫査?Rudolf Peierls)為描述傳熱奠定了基礎，他將玻爾茲曼(Boltzmann)最新的輸運理論應用于晶體，并推導出著名的聲子輸運方程——自那以后，它一直是微觀傳熱理論的中堅力量。

幾十年后，在分子動力學模擬領域迅速發(fā)展的支持下，菲利普?艾倫(Philip Allen)和約瑟夫?費爾德曼(Joseph Feldman)提出了一個適用于眼鏡的方程式?，F(xiàn)在科學家們已經(jīng)找到了如何推導出一個更通用的公式，可以很好地描述這兩種材料，以及介于這兩種材料之間的所有東西。EPFL博士生米歇爾·西蒙塞利(Michele Simoncelli)和材料研究所(Institute of Materials)教授尼古拉·馬爾扎里(Nicola Marzari)，以及羅馬大學的同事弗朗西斯科·毛里(Francesco Mauri)在《自然物理》(Nature Physics)上發(fā)表研究論文。

在研究論文中，他們從耗散量子系統(tǒng)的一般理論中推導出了微觀方程。原來佩爾斯拋棄了熱傳導中的一個關鍵成分，在熱傳導中，振動激振可以像量子一樣從一種狀態(tài)隧穿到另一種狀態(tài)。雖然這種隧穿作用在完美晶體中可以忽略不計，但當一個系統(tǒng)變得無序時，它們變得更加相關，而在玻璃中，它們產(chǎn)生了艾倫-費爾德曼形式主義。但這個新方程更為普遍，可以以同樣的精度應用于任何材料，包括所有已知振動激勵的出現(xiàn)和共存。至關重要的是，這種新熱傳導理論涵蓋了晶體狀和玻璃狀的材料。

這些材料具有重要的技術重要性，因為它們可以是非常好的熱電材料，也就是說，可以將熱轉化為電，或將電轉化為冷卻。熱電材料在能源應用中具有重要意義，因為它們利用工業(yè)過程、汽車和卡車發(fā)動機或太陽的可用熱量發(fā)電。擁有更高效的熱電材料(大約是目前標準的三倍)將徹底改變我們所有的制冷和空調技術，因為熱電材料可以反過來利用電力來制冷，而不是利用熱能發(fā)電。值得注意的是，阿爾伯特·愛因斯坦在冰箱上工作了8年。

在愛因斯坦智力的巔峰時期，他和他的學生里奧·西拉德一起為一臺沒有移動部件的冰箱申請了專利，就像在熱電冰箱里一樣。然而，制造這樣的設備需要徹底了解熱量是如何傳導的，以及傳導到什么程度。到目前為止，理論和模型的成功有限。一個好的熱電需要是一個導電體，因此相當結晶，但同時也是一個熱絕緣體，因此相當透明，它需要能夠攜帶和冷凝一個設備的兩個不同的側面的正電荷和負電荷，創(chuàng)造一個電勢。

然而，根據(jù)現(xiàn)有的熱傳導方程，試圖將熱電體視為晶體或玻璃，將會導致非常大的誤差，因此很難預測它們的效率。論文中概述的新理論，以及對導熱系數(shù)更準確的估計，以及對電導率的數(shù)據(jù)，將使科學家們能夠計算熱電學的“價值圖”，并對它們的效率作出估計。有了這一關鍵信息，研究人員將能夠利用計算技術首先篩選潛在材料，加快這些新技術的發(fā)展道路。

博科園｜研究/來自：國家研究能力中心（NCCR）MARVEL

參考期刊《自然物理學》

DOI: 10.1038/s41567-019-0520-x

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