@ 2015.03.25 , 12:17

研究发现热辐射和声波也有磁性

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万有引力 / 艾萨克·牛顿

有研究证明了热量以波的形式在石墨中传播,而在其他3D介质中确实通过加速原子运动传播。在3D介质中,这些震动的原子的集体状态称为声子或振动量子(phonons)。

来自美国俄亥俄州立大学(OSU)的研究人员首次发现,声学声子(acoutic phonons)能够控制热辐射和声波。反过来说,热辐射和声波具有磁性,因此能够通过磁场控制热辐射和声波(原文描述是磁体能够控制热辐射和声波)。
(# 固体一般含有两种原子,这两种分布是声学声子/acoustic phonons 和光学声子/optical phonons。声学声子描述原子相对于原子晶格进行运动,结构基元内部的个原子相对位置是不变的。而光学声子运动时,会交换到对方的晶格中。 )

该发现发表在《Nature Materials》杂志中,来自俄亥俄州立大学的研究人员Joseph Heremans和他的团队,通过一个医用核磁共振成像设备(MRI)产生的磁场对一个半导体进行处理,使得通过该半导体的热辐射降低了12%左右。该现象表明,声学声子--热辐射和声波的基本粒子--具有磁性。

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“这为我们对声波研究打开了一个新层面”,Joseph Heremans说道,“我们已经证明,通过磁场能够操纵热辐射;如果磁场足够强大,我们还能操控声波!”

人们可能会不清楚热辐射和声波之间有啥关系,它们跟磁场又有什么关系?但是,在量子力学中,这两者都能够用能量形式来描述。因此,如果能够通过磁场控制其中的一个,也就能同样控制另一个。

本质上说,热是原子的运动,热量在介质中的传递也是通过不同介质中的原子运动进行的。原子运动越剧烈,介质的热量越高;原子的运动会影响周围的原子运动,热量就会传递。

声波也是依靠原子震动传播的,我们说话时,声带会压缩空气,造成的震动,并且传播到对方的耳中,耳朵接收到这种震动,获取声音。

声子(Phonon)与光子(photon)比较相似,研究人员把它们看作是表兄弟:光子是光粒子;而声子时热和声音的粒子。自从爱因斯坦发现光电效应以来,光子的研究持续了100多年。声子的关注却不那么多,因此大家对声子、以及热和声波之间的关系没有光子那么熟悉。

该研究表明,声子具有磁性。同时研究者认为,该属性普遍存在于任何固体中。该发现的意义在于:任何材料,如玻璃、石头、塑料,以往被认为是不具有磁性,也无法通过磁场控制的材料,并非是不具有磁性,而已因为没有足够大的磁场能够对他们产生效果。同样在一些金属中,由于绝大多数的热量通过电子携带,因此相对于声子所能携带的热量就被忽略,这些金属也被认为是不具有磁性的。

这也从侧面表明了该观察实验的设计难度。为了测量在极端低温下的热量变化,他们用于各锑化铟半导体制作了一个非对称音叉,音叉的两个叉臂分别为1mm和4mm宽。通过音叉底部进行加热。

由于半导体在低温下的怪异特性(超导),通常情况下,热传递的能力只取决于介质的原子类型。另外,较大的截面的原子数量更多,热传递更快,因此在音叉中,叉臂宽的一侧会传递更多的热量。这很好解释,就像宽路的车流量更大。

通过比较在有磁场和没有磁场两种情况下,两个叉臂的温度变化,就能得到前面的结论。测试表明,在加入磁场之后,宽叉臂的热量降低了约12%。

目前,研究人员正在量化磁场和热损耗之间的关系,并希望在将来是否能够在实验中用磁场干扰声波。

本文译自 IEEE Spectrum & OSU,由译者 邻家乖蜀黍 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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