研究人员创建了一种管理晶体内部热量流动的技术。这种紧凑设备可用于开发复杂的热管理系统，在电子设备中帮助防止过热。
电子零件中过多的热量会对各种设备的性能产生负面影响。例如，基于硅的计算机芯片的速度和内存能力显著受其散热能力的影响。尽管对更好解决方案的需求很高，但管理热量仍然是一个复杂的问题。
东京大学工业科学研究所领导的研究小组在《自然》期刊上发表的一项最新研究显示了如何控制石墨晶体中的热传导。他们利用流体动力学的原理与固态晶体中的声子进行相互作用。
声子被称为“准粒子”，代表了固态材料中原子或分子的集体振动。晶体由在其结构中均匀分布的有序重复的原子模式构成。
“在晶体中，原子键在原子振动时（例如，加热时）类似于弹簧的功能。这些‘弹簧’共同作用，形成穿过晶体传播的波，或声子，”研究的主要作者黄鑫解释道。
有趣的是，声子在固体晶体中的传播方式与流体流动非常相似，这种现象被称为“水动力声子传输”。黄鑫及其团队利用这种效应在石墨中实现了热整流。
他们设计了类似于特斯拉阀的结构，该阀最初是由尼古拉·特斯拉在1920年代发明的。特斯拉的“阀管”能够指引流体流动，使其在一个方向上更快。这个原理也可以通过声子促进晶体中的热流，促进更均匀的热分布。
特斯拉阀的热导率，即材料导热的能力，在10 K到300 K的温度范围内进行了评估。其非对称结构允许在一个方向上平稳的水动力声子传输，同时阻碍反向流动。这个整流效率被称为“二极性”，由两个方向的热导率比表示。
在10 K的较低温度下，二极性测得为1。随着温度上升，这一参数在45 K时达到峰值1.15，表明热量在前向流动中更有效。这一现象可观察到最高至60 K，但在更高温度下，声子散射导致两个方向的热导率相等。
目前，这项技术的应用仅限于低温和显示水动力声子传输的特定材料，其中不包括硅。
“令人振奋的是，理论上在更广泛的温度范围内实现热整流没有障碍，甚至可能在室温下也能实现，”资深作者野村正宏指出。
除了在凝聚态物理学中的基础研究之外，这项发现最终可能在各种设备中得到利用，使制造商能够创造出先进的热管理解决方案，提高智能手机、计算机和LED等电子元件的效率。
