研究人员发现了完美晶体不擅长导热的原因，尽管它看起来应该是这样的
晶体固体BaTiS3(硫化钛钡)的导热能力很差，这是由于一个任性的钛原子同时存在于两个地方造成的。
这一发现由加州理工学院、南加州大学和能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员发现，并于11月27日发表在《自然通讯》杂志上。它提供了一个基本的原子层面的洞察，一个不寻常的热性质，已经观察到的几种材料。这项工作对那些正在探索导热性差的晶体固体在热电应用方面的潜在应用的研究人员特别有兴趣。在热电应用中，热可以直接转化为电能，反之亦然。
这张高分辨率的扫描透射电子显微镜(STEM)的BaTiS3晶体的图像被显示晶体中单个原子的方向的插图所覆盖。尽管晶体在原子上完美无缺，但它在传输热能方面却出人意料地差。这张高分辨率扫描透射电子显微镜(STEM)拍摄的巴蒂斯3晶体图像，上面覆盖着显示晶体中单个原子方向的插图。尽管晶体在原子上完美无缺，但它在传输热能方面却出人意料地差。资料来源:Arashdeep Thind/Rohan Mishra下载完整图像"We发现,量子力学效应可以发挥巨大的作用在设置材料的热输运性质甚至熟悉的条件下室温,"奥斯汀Minnich说,加州理工学院的机械工程和应用物理学教授和自然的共同通讯作者,通讯。
晶体通常擅长导热。根据定义，它们的原子结构是高度组织化的，这使得原子振动——热——以波的形式流过它们。另一方面，眼镜的导热性很差。它们的内部结构是无序和随机的，这意味着当它们通过时，振动会从一个原子跳到另一个原子。
BaTiS3属于一类称为钙钛矿相关硫系化合物的物质。南加州大学维特比化学工程和材料科学系的莫克家族助理教授贾亚康特·拉维肯德和他的团队一直在研究它们的光学特性，最近开始研究它们的热电应用。
我们有预感BaTiS3的导热系数会很低，但结果却出乎意料地低。Ravichandran说:“我们的研究显示了一种实现低导热的新机制，因此下一个问题是，系统中的电子是否能像热一样无缝流动，从而实现良好的热电性能。”
研究小组发现，BaTiS3和其他几种晶体固体具有类似于6035玻璃的热导率。它的导热性不仅可以与无序玻璃相比，而且随着温度的降低，它的导热性会变得更差，这与大多数材料的情况正好相反。事实上，它在低温下的导热系数是所有致密(无孔)固体中观察到的最差的之一。
研究小组发现，每个BaTiS3晶体中的钛原子都以双井势存在，也就是说，在原子结构中有两个位置是原子想要的位置。钛原子同时存在于两个地方，形成了所谓的"two-level system。在这种情况下，钛原子有两种状态:基态和激发态。通过的原子振动被钛原子吸收，它从基态进入激发态，然后迅速衰变回到基态。吸收的能量以振动的形式向任意方向发射。
这种振动的吸收和发射的总体效果是能量被分散而不是干净地传递。比方说，用一束光穿过磨砂玻璃，钛原子就是霜;入射波偏离钛，只有一部分能通过钛材料。
人们早就知道存在两能级系统，但这是第一次直接观测到足以在50至500开尔文的温度范围内破坏单晶体材料的热传导。
研究人员利用ORNL的散裂中子源，用中子轰击BaTiS3晶体，这一过程称为非弹性散射，观察到了这种效应。当中子穿过晶体时，它们的能量会增加或减少。这表明能量在某些情况下从两能级系统中被吸收，在另一些情况下又被传递给它们。
要解开钛原子的结构和动力学之谜，需要真正的侦探工作。ORNL的高级研究员、《自然通讯》那篇论文的共同通讯作者迈克尔·曼利说:“起初，原子似乎只是位置上的无序，但潜势的浅度意味着它们不能在原来的位置上待很长时间。”就在那时，ORNL的研究员拉斐尔·赫尔曼建议对双阱进行量子计算。原子可以通过隧道当然是众所周知的，但是我们没有料到在晶体中这么大的原子会以这么高的频率出现。但是量子力学是清楚的:如果阱之间的势垒足够小，那么这种高频隧穿确实是可能的，并将导致强烈的声子散射，从而导致类似玻璃的热导率，"曼利说。
制造低导热性结晶固体的传统方法是在这些固体中制造大量的缺陷，这对其他性能如导电性是不利的。因此，一种不损害电学和光学性能的低导热晶体材料的设计方法是热电学应用的迫切需要。有一小部分晶体固体也表现出同样的导热性差，因此研究小组下一步计划探究这种现象是否也与这些材料有关。
《自然通讯》的文章名为"，高频原子隧穿在硫系单晶中产生超低和类似玻璃的导热性。"的合著者包括加州理工学院的孙波、Jaeyun Moon和Nina Shulumba;南加州大学的牛山元、赵博阳、乔安娜·米兰格雷罗、拉尔夫·海格斯、布伦特·梅洛特和马修·梅克伦伯格;橡树岭国家实验室的拉斐尔·p·赫尔曼、凯瑟琳·佩奇和巴里·韦恩;圣路易斯华盛顿大学的Arashdeep S. Thind和Rohan Mishra;Wright-Patterson空军基地空军研究实验室的Krishnamurthy Mahalingam和Brandon M. Howe;韩国光州科学技术学院的Young-Dahl Jho;以及伊利诺斯州阿尔贡国家实验室的Ahmet Alatas。
这项研究得到了国防高级研究计划局、美国能源部、海军研究办公室、国家科学基金会、陆军研究办公室、空军科学研究办公室和Link基金会的支持。
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