@ 2015.03.25 , 12:17
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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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TOTAL COMMENTS: 19+1

  1. 2732951

    原来歪果仁也用mac装windows啊。

    [116] XX [1] 回复 [0]
  2. 怪事
    @3 years ago
    2732955

    应该说热辐射和声波能影响磁场吧。所有物质(各种x子)都有磁性,分大小而已。没物质也就没有辐射和磁场了。

  3. 珊瑚爱
    @3 years ago
    2732971

    任何原子都有磁性吧,只不过无序状态下被抵消了。如果分子集体做律动就会变的有序,宏观的磁场就会产生

  4. 2732979

    @怪事: 关键这里讲的是声子,不是真的粒子,而是一种元激发,是准粒子。本质上是晶格的相对运动,参见文中的注释。

    [17] XX [0] 回复 [0]
  5. 2732983

    看来。。。以后又多了一个可以烧的途径,用磁场改变音响音质。。。
    在维也纳听着好的音响,放在铁岭就不行了。

    [17] XX [1] 回复 [0]
  6. 我看还可以
    @3 years ago
    2732985

    研究发现,女性对男性也具有磁性

  7. 狂暴狗熊天使
    @3 years ago
    2733003

    其实我的声音也蛮有磁性的

  8. 2733016

    全篇只看懂了mac和windows。。

  9. jerrybie
    @3 years ago
    2733029

    我没看太明白,但是我觉得肯定有比较简洁的解释方法把。。。声波是由介质传播的,金属介质和半导体介质中存在电子,高频动态磁场下会对电子产生作用吧(就像电磁炉那样),引发温度改变,进而改变介质的密度和力学性能,这样就影响了声波的传播速度 , 这样说对不对?
    另外有两个问题:1.绝缘体有这种性质不?2、恒定频率的磁场会对材料有影响吗?

  10. 忠祥
    @3 years ago
    2733038

    又见macdows

  11. cesium
    @3 years ago
    2733048

    不是热辐射,是热传导。热辐射靠的是光子啊

  12. jerrybie
    @3 years ago
    2733055

    还有,@cesium: 确实啊,是热传导。。。我看了半天还是不懂,磁场对传递热辐射的光子会有影响吗

  13. 2733057

    如果磁场足够强大,我们还能操控声波!,,我只能理解到喇叭

  14. 2733084

    本是常常被嘲笑脑洞的声量子学说也能出这种成果啊。
    感觉科学越来越像小说,怎么写怎么有。

  15. 2733129

    哦,下一部的Xmen 万磁王不单能控制金属了,还可以控制对手的性别!让教授决战时刻突然来大姨妈

  16. 2733373

    想想用超强磁体制造而成的冰箱、空调吧,或者能理解利用控制热量提高发动机的效率,抑或用于声波的定位系统,超有意思

  17. 爱吃蛋筒
    @3 years ago
    2733417

    我觉得最后的物理学概念绝大多数应该都可以被分解成能量或者物质以一定形式进行的组合,如果说不同种类的波是能量的不同释放方式的话,或许一定的强度或者方式的能量都可以产生特定力的作用

  18. 2733545

    声音是空气振动的表现……这意思可能是空气有磁性?还是产生了风把空气吹回去?

  19. 不吃狼的鱼
    @3 years ago
    2733583

    所以说可以想象,我们物理系同学都没人能看懂这里的东西,呵呵。

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