研究：鈦原子在晶體中同時出現在兩個位置

一般來說晶體材料導熱性能不錯，但是固態晶體三硫鋇鈦（BaTiS3）導熱性很差。最近科學家發現原來是內部鈦原子具有量子態一樣的特點，可導致其同時出現在兩個地方。

11月27日發表在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上的研究，從基礎的原子層面找到了產生這種特殊導熱性能的原因。這種材料在熱電應用領域有很大潛力。熱電應用將熱能和電能互相直接轉換，導熱性能差的固態晶體材料是研究人員感興趣的材料。

研究者之一加州大學機械工程與應用物理學教授明尼希（Austin Minnich）說：「我們發現了量子力學效應，即使在像室溫這樣普通的條件下也對材料的導熱性能起到重要的影響。」

一般晶體的導熱性能是不錯的。它們的原子結構很有規律，熱能以波動的方式傳播。可是玻璃不一樣，是導熱性很差的晶體。它們的內部結構無序，熱能只能在原子間跳躍式的傳播。

研究合作者南加州大學的拉維漢德蘭（Jayakanth Ravichandran）在研究三硫鋇鈦的光學特性的時候，開始注意到它在熱電領域的應用。

「直覺告訴我們三硫鋇鈦導熱性低，但是測出的結果低到出人意料。我們發現了一種新的機制導致如此低的導熱性，接下來我們想知道裏面的電子是否不像熱能這樣，能順暢地流動，有著較好的熱電特性。」

這個研究組發現三硫鋇鈦和其它幾種固態晶體，都有著類似玻璃一樣的很差的導熱性能。不僅如此，當溫度降低的時候，三硫鋇鈦的導熱性變得更差，這與多數材料的情況相反。研究發現，它的導熱性在低溫下，是所有已知的密緻型（無孔的）固體中最差的材料之一。

研究組發現，每個三硫鋇鈦晶體內的鈦原子都有兩個位置。研究人員把這種機制稱為「雙級系統」。鈦原子有基態和受激態兩種狀態，傳遞中的熱能被鈦原子吸收後，使太原子從基態躍遷至受激態，之後又很快衰退回基態。被吸收的能量以振動的形式隨機地向各個方向發散。

如此一個吸收和發散的過程，導致能量被分散，而不能有序地傳遞。研究人員表示，這就像讓光線透過磨砂玻璃一樣，鈦原子就起到磨砂的效果。傳入的能量波被鈦原子散射，只有一部份穿過材料。

很久以前研究人員就知道存在這樣的雙級系統，這份研究第一次直接觀測到。他們發現，溫度在50～500開爾文之間，這種材料都出現了由這種機制導致導熱性能受阻的現象。

研究者表示，以前為了造出低導熱性能的材料，不得不故意給固體材料製造瑕疵，但是這樣做往往使材料的其它特性受損，比如導電性。因此這份研究找到方法設計出低導熱性、卻不損害導電性和光學性能的材料，對於熱電領域的應用具有重要意義。#

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