磁场可以控制热和声的传播

　　近日，研究人员发现了可以用磁场控制热传导，并且首次揭示了声子——传导热量和声波的基本粒子——具有特殊的磁性质。

　　在3月23日发行的《自然•材料》杂志上，俄亥俄州立大学的研究人员展示了一项新技术：当热量流经一个半导体时，用医用核磁共振量级的磁场可将热流减少12%。

　　这项研究首次揭示了声子，即传导热量和声波的基本粒子，具有特殊的磁性质。

　　“这为我们理解声波提供了一个新方向，我们已经用磁场控制了热传导，只要磁场强度足够大，我们应该也可以控制声波。”俄亥俄州著名的微纳加工专家Joseph Heremans告诉我们。

　　在Heremans看来，热和声之间的关系已经足够让人惊讶，更不用说它们都可以用磁场来调控。但从量子力学的角度来说，这两者只是能量的不同表述形式，其本质是相同的。因此，如果一种手段能控制热，那么它一定可以控制声，反之亦然。

　　“从本质上讲，原子振动产生热量。热量通过振动在材料中传播。材料的温度越高，原子振动越剧烈。声波也产生于原子振动，当我朝你讲话时，我的声带压迫空气产生振动，你的耳朵以声音的形式接收到它们。因此，声波是通过振动传向你的。”

　　在英文中，“phonon（声子）”这个词听起来有点像“photon（光子）”。那是因为研究人员将它们看做堂兄弟：光子是光的基本粒子，声子是热和声的基本粒子。自从爱因斯坦发现光电效应起，人们研究光子已经有上百年历史了，但声子并没有获得足够多的关注。因此，除了知道声子能产生热和声之外，我们对它知之甚少。

　　这项研究也展示了声子具有磁性质。

　　“我们相信这些性质在所有固体中均存在。”俄亥俄州立大学的博士后研究员、该论文的第一作者Hyungyu Jin说道。

　　在玻璃、宝石、塑料等非传统磁性材料中，热传导可以通过强磁场控制。而在金属中这种效应不易被发现，这是因为金属主要通过电子传导热量，相比之下，声子对热传导的贡献可忽略不计。

　　这项发现在短时间内不会有实际应用，因为除了在实验室和医院，7T的磁场并不易获得。并且为了使声子的运动速度慢到可被测量，实验用的半导体材料要被冷却到接近绝对零度（-450℉，268℃）的低温环境，这些都增加了将该性质推向应用的难度。

　　这就是为什么实验如此艰难的原因，在如此低的温度下的进行热测量是很棘手的。研究人员的解决办法是使用一块锑化铟半导体，再制成一个不平衡音叉：叉的一支为4毫米宽，另一支1毫米宽。并把加热器安装在音叉臂的底部。