作者:Joseph P. Heremans 来源:《自然·材料》 发布时间:2015/3/31 11:33:44
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科学家首次实验证实声子具备磁性

 

美国俄亥俄州立大学的研究人员日前在一次实验中证明声子是一种具备磁性的粒子,能够在传送声音的同时传导热量。这在相关领域尚属首次,为人们对声波的认识增加了一个新的维度。相关论文发表在3月24日(北京时间)出版的《自然·材料》杂志上。

声子这个词听起来很像光子。因为科学家们认为它们是两个表兄弟:光子是光粒子,声子则是晶体结构集体激发的准粒子。自爱因斯坦发现光电效应后,全世界的科学家对光子的研究持续了100多年。声子却被冷落了,所以与此相关的研究也相对较少。

俄亥俄州立大学纳米技术和机械工程学教授约瑟夫·贺尔曼斯说:“当人们得知热量和声音之间还有什么关系的时候都会感到非常惊讶,更别说它们都能通过磁场被控制了。但其实从量子力学角度看,两者都是通过能量来表达的。因此,控制其中的一个,另一个也会被控制。从本质上讲,热即是原子的振动,材料温度越高,原子振幅越大。同样声音也是一种振动。人们能够听到声音,也是空气振动传导的结果。这项研究表明,声子也是具备磁性的。并且我们相信这种特性存在于任何固体当中。也就是说,只要有足够强大的磁体,无论是玻璃、石材还是塑料,这些以往没有磁性的材料都能够通过磁场来进行控制。”

但实验的难度在于必须要有足够强的磁场和足够低的温度,因为只有这样才能使材料中的原子运动减速到声子能够参与的程度。像此次实验中所使用的7特斯拉的磁体和低至零下268度的低温环境,除了医院和实验室外都是没有的。

在如此低的温度下对热量进行测量是一件非常棘手的工作。新研究的解决方法是用一小块锑化铟半导体制造出一个外形独特的音叉。这个音叉的一边宽4毫米,另一边宽1毫米,底部还安装有一个微型加热器。

这个装置能够正常工作完全要归功于半导体在低温下的独特性质。通常情况下,材料的热传导性能完全取决于构成它的原子。但在极端低温条件下,另一个因素开始起作用,即被测试样品的尺寸。在这种条件下,与较小的样本相比,较大的样品可以更快传递热量。这意味着,音叉较宽的一侧会传递更多的热量。

贺尔曼斯解释说,可以将音叉想象成一个跑道,声子是一个个运动员,它们从音叉的基座奔向音叉的两臂。选择窄道的运动员,由于空间狭窄,相互之间会发生碰撞,因此速度也会比较慢。而那些选择较宽跑道的运动员,因为空间充裕所以速度更快。

正如研究人员所预期的那样,在未施加磁场的情况下,音叉较宽的一侧能够传递更多的热量。但在施加磁场的情况下,热量经由音叉较宽一侧的传导速度减缓了12%。

研究人员由此得出结论:声子一定是受到了磁场的影响,产生了相互碰撞导致了热量传递速度的减缓,声子应该是具备磁性的。这一说法同时也得到了计算机量化模拟实验的证实。

贺尔曼斯说:“我们的研究已经表明人们可以引导磁热,借助足够强大的磁场,未来我们或许还能引导声波。”研究小组下一步将测试用磁场是否能使声波发生转向。(来源:科技日报 王小龙)

 
 
 
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2015/4/4 9:23:41 Goden
“声子一定是受到了磁场的影响,产生了相互碰撞导致了热量传递速度的减缓”是自然的,因为磁场会导致材料的力学性能发生变化,从而会影响声子的传播速度。但说“声子应该是具备磁性的”则是谬论。
2015/4/1 15:13:45 mpywang
什么是“能够在传送声音的同时传导热量”?固体中的声子本身就是热能的携带者。看这译者的科学素质,急人。
 
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