美國能源部橡樹嶺國家實驗室的研究人員首次觀察了原子重排波，稱為相位，通過振動晶格超聲傳播 - 這一發(fā)現(xiàn)可以極大地改善絕緣體中的熱傳輸，并為熱管理提供新的策略在未來的電子設(shè)備中。

“這一發(fā)現(xiàn)為您提供了一種控制熱量流動的不同方式，”該論文的主要作者M(jìn)ichael Manley在Nature Communications上發(fā)表文章說。“它提供了通過材料的快捷方式 - 一種以高于聲子[原子振動]的速度發(fā)送純原子運(yùn)動能量的方法。這種捷徑可以為納米材料的熱管理提供可能性。想象一下這種可能性例如，熱斷路器的一部分。“

科學(xué)家使用中子散射來測量相位，其速度分別是縱向和橫向聲波的自然“速度限制”的2.8倍和約4.3倍。“沒有[褪色]，我們沒想到它們會那么快，”曼利說。

電子設(shè)備中必須使用絕緣體以防止短路; 但是沒有自由電子，熱傳輸僅限于原子運(yùn)動的能量。因此，了解絕緣體中原子運(yùn)動產(chǎn)生的熱量是很重要的。

研究人員將中子分散在fresnoite中，這是一種結(jié)晶礦物，因為它最初是在加利福尼亞州弗雷斯諾發(fā)現(xiàn)的。通過其壓電特性使傳感器應(yīng)用成為可能，這使其能夠?qū)C(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電場。

Fresnoite具有靈活的框架結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)中形成與底層晶體順序不匹配的競爭順序，如不匹配的瓷磚疊加。Phasons是與晶體中的原子重排相關(guān)的激發(fā)，其改變描述結(jié)構(gòu)中的不匹配的波的相位。

相位差在皺紋晶格中累積 - 稱為孤子。孤子是孤立的波，它們在幾乎沒有能量損失的情況下傳播并保持其形狀。它們還可以以一種允許它們比聲音傳播更快的方式來扭曲局部環(huán)境。

“孤子是晶體中一個非常變形的區(qū)域，原子的位移很大，力 - 位移關(guān)系不再是線性的，”曼利說。“孤子內(nèi)的材料剛度局部增強(qiáng)，導(dǎo)致更快的能量轉(zhuǎn)移。”

加利福尼亞州Irvine的Meggitt Sensing Systems的Raffi Sahul生長了一種單晶的fresnoite，并將其送到ORNL進(jìn)行中子散射實驗，Manley設(shè)想這些實驗可以描述能量如何在晶體中移動。“中子是研究這種物質(zhì)的最佳方式，因為它們的波長和能量在某種意義上與原子振動相匹配，”曼利說。

Manley使用Paul Stonaha，Doug Abernathy和John Budai在Spallation Neutron Source處使用飛行時間中子散射進(jìn)行測量，并使用Stonaha，Songxue Chi和Raphael Hermann在High Flux同位素反應(yīng)堆中使用三軸中子散射進(jìn)行測量。

在SNS，科學(xué)家們開始使用不同能量的脈沖中子源，并使用ARCS儀器，該儀器選擇能量范圍很窄的中子并將其從樣本中散射出去，因此探測器可以在很寬的范圍內(nèi)繪制能量和動量傳遞圖。

“大型測量區(qū)域?qū)τ谶@項研究非常重要，因為這些特征并不是您通常所期望的那樣，”Abernathy說。“這使得中子測量有很大的機(jī)會來確定傳播階段的速度，從它們的頻散曲線的斜率計算出來。”

色散是波長和表征傳播波的能量之間的關(guān)系。

“一旦SNS測量告訴我們在哪里觀察，我們在HFIR使用了三軸光譜，提供了恒定的中子通量，專注于那一點，”Manley說。“橡樹嶺國家實驗室的獨(dú)特之處在于，我們擁有世界級的散裂源和世界級的中子研究反應(yīng)堆來源。我們可以在設(shè)施之間來回走動，真正全面了解事物。”

接下來，研究人員將探索其他晶體，如fresnoite，可以旋轉(zhuǎn)phasons。施加電場的應(yīng)變可能能夠改變旋轉(zhuǎn)。溫度的變化也可能改變屬性。