加州大学洛杉矶分校领导的研究发现了不为人知的传热行为

加州大学洛杉矶分校的研究人员和他们的同事发现了一个新的物理学原理，支配着热量如何在材料中传递，而这一发现与传统的智慧相矛盾，即热量总是随着压力的增加而快速移动。

到目前为止，在涉及气体、液体和固体等不同材料的有记录的观察和科学实验中，这个普遍的信念是正确的。

研究人员在《自然》杂志上周发表的一项研究中详细介绍了他们的发现。他们发现 砷化硼它已经被视为一种非常有前途的材料，可用于 热管理和 先进的电子产品它还具有一个独特的特性。在达到比海底压力大数百倍的极高压力后，砷化硼的热导率实际上开始下降。

该结果表明，可能还有其他材料在极端条件下经历同样的现象。这一进展也可能导致为智能能源系统开发的新型材料，该系统具有内置的 "压力窗口"，使系统只在一定的压力范围内开启，然后在达到最大压力点后自动关闭。

"这一基本研究发现表明，压力依赖的一般规则在极端条件下开始失效，"研究负责人、加州大学洛杉矶分校塞缪里工程学院机械和航空航天工程副教授胡永杰说。"我们期望这项研究不仅为潜在地修改目前对热运动的理解提供一个基准，而且还可能影响对极端条件的既定建模预测，例如在地球内部发现的那些极端条件，在那里不可能进行直接测量。"

据Hu说，这项研究的突破还可能导致对冲击波研究中使用的标准技术进行重新调整。

类似于声波如何穿过一个响铃，热量通过原子振动的方式穿过大多数材料。当压力将材料中的原子挤压得更紧密时，它使热量能够更快地在材料中逐个移动，直到其结构破裂或转变为另一相。

然而，砷化硼的情况并非如此。研究小组观察到，在极端压力下，热量开始移动得更慢，这表明在压力增加时，热量通过结构振动的不同方式可能造成干扰，类似于重叠的波浪相互抵消。这种干扰涉及到无法用教科书上的物理学解释的高阶相互作用。

该结果还表明，矿物的热导率在一定的压力范围之后可以达到最大值。"如果适用于行星内部，这可能表明一种内部 "热窗口 "的机制--行星内部的一个层，其热流机制与它下面和上面的层不同，"共同作者、加州大学洛杉矶分校地球、行星和空间科学教授Abby Kavner说。"像这样的一层可能会在大行星的内部产生有趣的动态行为"。

为了实现他们的传热演示的极高压环境，研究人员在一个受控室中把一个砷化硼晶体放在两个钻石之间并加以压缩。然后他们利用量子理论和几种先进的成像技术，包括超快光学和非弹性X射线散射测量，来观察和验证这种以前未知的现象。

机械工程系的研究生李随轩、秦子豪、吴欢和李曼是该研究的共同作者。 胡的研究小组是该研究的共同主要作者。其他作者是卡夫纳、劳伦斯伯克利国家实验室的马丁-昆兹和阿贡国家实验室的艾哈迈德-阿拉塔斯。

这项研究得到了国家科学基金会、阿尔弗雷德-P-斯隆基金会和加州大学洛杉矶分校塞缪里分校的V.M. Watanabe卓越研究奖的资助。一些实验是在能源部的两个设施中进行的--阿贡国家实验室的高级光子源和劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源。计算服务由加州大学洛杉矶分校数字研究与教育研究所和国家科学基金会提供。作者还得到了加州大学洛杉矶分校的纳米电子研究设施和加州纳米系统研究所(CNSI)的支持。Hu和Kavner都是CNSI的成员。