在热传递的高速公路上，热能是通过被称为声子的量子粒子移动的。但在当今最尖端半导体的纳米尺度上，这些声子并不能带走足够的热量。这就是为什么普渡大学的研究人员专注于利用被称为"极化子"的混合准粒子，在传热高速公路上开辟一条新的纳米级车道。

机械工程副教授托马斯-比切姆说："我们有几种描述能量的方法。当我们谈论光时，我们用称为'光子'的粒子来描述它。热也以可预测的方式携带能量，我们将这些能量波描述为'声子'。但有时根据材料的不同，光子和声子会结合在一起，产生一种新的东西，称为"极化子"。它以自己的方式携带能量，既不同于光子，也不同于声子"。

与光子和声子一样，极化子也不是你能看到或捕捉到的物理粒子。它们更像是描述能量交换的方式，就好像它们是粒子一样。

还很模糊吗？换个比喻。比切姆说："声子就像内燃机车，光子就像电动汽车。极子是丰田普锐斯。它们是光和热的混合体，保留了两者的某些特性。但它们有自己的特殊性。"

"极化子已被应用于光学领域--从彩色玻璃到家庭健康测试无所不包。但它们移动热量的能力在很大程度上被忽视了，因为只有当材料的尺寸变得非常小时，它们的影响才会变得显著。"贝歇姆实验室的博士生雅各布-明亚德（Jacob Minyard）说："我们知道，声子完成了大部分的热传递工作。极化子的效应只能在纳米尺度上观察到。但直到现在，由于半导体的存在，我们才需要在这个层面上解决传热问题。半导体已经变得如此小巧和复杂，令人难以置信。设计和制造这些芯片的人发现，声子在这些非常小的尺度上并不能有效地散热。我们的论文证明，在这些长度尺度上，极化子可以贡献更大份额的热传导率。"

他们关于极化子的研究已被选为《应用物理学杂志》（Journal of Applied Physics）的特色文章。

比切姆说："我们传热学界在描述极化子效应时，一直是针对特定材料的。有人会在这种材料或那种界面上观察到极化子效应。这一切都非常不同。雅各布的论文证实了这并非偶然现象。在任何薄于 10 纳米的表面上，极化子都开始主导热传递。这相当于 iPhone 15 上晶体管大小的两倍。我们的工作就像是在高速公路上开辟了一条额外的车道。规模越小，这条额外的车道就越重要。随着半导体的不断缩小，我们需要考虑设计交通流，以同时利用声子和极化子这两条车道。"

明亚德的论文只是触及了如何实际实现这一点的表面。半导体的复杂性意味着有很多机会利用偏振子友好型设计："芯片制造涉及许多材料，从硅本身到电介质和金属，我们的研究方向是了解如何利用这些材料更有效地传导热量，同时认识到极化子提供了一种全新的能量移动途径。"

认识到这一点后，比切姆和明亚德希望向芯片制造商展示如何将这些基于极化子的纳米级传热原理直接融入芯片的物理设计中--从所涉及的物理材料，到芯片层的形状和厚度。

虽然这项工作现在还只是理论上的，但物理实验即将展开。

参考文献 雅各布-明亚德（Jacob Minyard）和托马斯-比切姆（Thomas E. Beechem）于 2023 年 10 月 24 日在《应用物理学杂志》上发表的题为"支配面内声子-极化子热导率的材料特性"的文章。

doi: 10.1063/5.0173917

编译来源：ScitechDaily