研究人員開發(fā)了一種新穎的微觀理論，可以用非常普遍的方式描述熱傳輸，同樣適用于有序或無序的材料，如晶體或玻璃，以及介于兩者之間的任何東西。這不僅是一個(gè)重要的第一個(gè)問題（迄今為止還沒有一個(gè)輸運(yùn)方程能夠同時(shí)解釋這兩種體系）而且令人驚訝的是，它還表明，熱可以通過機(jī)械方式隧道量子，而不是像原子振動(dòng)那樣擴(kuò)散出去。新方程還首次對(duì)熱電材料的性能進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。這種材料具有超低、玻璃般的導(dǎo)熱性，在能源研究中受到高度重視。

它們可以把熱量轉(zhuǎn)化成電能，或者不需要泵和有害環(huán)境的氣體就可以用電來冷卻。晶體和玻璃傳熱的方式根本不同，晶體中原子的規(guī)則排列意味著熱量是通過振動(dòng)波的傳播來傳遞——例如，在計(jì)算機(jī)的硅芯片中就發(fā)生了這種情況。在原子尺度上無序排列的玻璃中，通過隨機(jī)的振動(dòng)跳躍，熱量的傳遞要慢得多。20世紀(jì)物理學(xué)家魯?shù)婪颉づ鍫査?RudolfPeierls)為描述傳熱奠定了基礎(chǔ)，他將玻爾茲曼(Boltzmann)最新的輸運(yùn)理論應(yīng)用于晶體，并推導(dǎo)出著名的聲子輸運(yùn)方程——自那以后，它一直是微觀傳熱理論的中堅(jiān)力量。

幾十年后，在分子動(dòng)力學(xué)模擬領(lǐng)域迅速發(fā)展的支持下，菲利普艾倫(PhilipAllen)和約瑟夫費(fèi)爾德曼(JosephFeldman)提出了一個(gè)適用于眼鏡的方程式。現(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)找到了如何推導(dǎo)出一個(gè)更通用的公式，可以很好地描述這兩種材料，以及介于這兩種材料之間的所有東西。EPFL博士生米歇爾·西蒙塞利(MicheleSimoncelli)和材料研究所(InstituteofMaterials)教授尼古拉·馬爾扎里(NicolaMarzari)，以及羅馬大學(xué)的同事弗朗西斯科·毛里(FrancescoMauri)在《自然物理》(NaturePhysics)上發(fā)表研究論文。

熱傳導(dǎo)來源于聲子波包顆粒狀擴(kuò)散（CsPbBr3）的真實(shí)三維聲子色散后的模糊球體)和波狀隧穿(藍(lán)色波)。當(dāng)聲子分支之間的間隔(洛倫茲形狀的脊線，其高度可以量化所攜帶的熱量)與它們的線寬(與脊線的寬度成正比)相當(dāng)時(shí)，隧道就出現(xiàn)了。圖片：MicheleSimoncelli,EPFL在研究論文中，他們從耗散量子系統(tǒng)的一般理論中推導(dǎo)出了微觀方程。原來佩爾斯拋棄了熱傳導(dǎo)中的一個(gè)關(guān)鍵成分，在熱傳導(dǎo)中，振動(dòng)激振可以像量子一樣從一種狀態(tài)隧穿到另一種狀態(tài)。雖然這種隧穿作用在完美晶體中可以忽略不計(jì)，但當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)變得無序時(shí)，它們變得更加相關(guān)，而在玻璃中，它們產(chǎn)生了艾倫-費(fèi)爾德曼形式主義。但這個(gè)新方程更為普遍，可以以同樣的精度應(yīng)用于任何材料，包括所有已知振動(dòng)激勵(lì)的出現(xiàn)和共存。至關(guān)重要的是，這種新熱傳導(dǎo)理論涵蓋了晶體狀和玻璃狀的材料。

這些材料具有重要的技術(shù)重要性，因?yàn)樗鼈兛梢允欠浅：玫臒犭姴牧希簿褪钦f，可以將熱轉(zhuǎn)化為電，或?qū)㈦娹D(zhuǎn)化為冷卻。熱電材料在能源應(yīng)用中具有重要意義，因?yàn)樗鼈兝霉I(yè)過程、汽車和卡車發(fā)動(dòng)機(jī)或太陽的可用熱量發(fā)電。擁有更高效的熱電材料(大約是目前標(biāo)準(zhǔn)的三倍)將徹底改變我們所有的制冷和空調(diào)技術(shù)，因?yàn)闊犭姴牧峡梢苑催^來利用電力來制冷，而不是利用熱能發(fā)電。值得注意的是，阿爾伯特·愛因斯坦在冰箱上工作了8年。

在愛因斯坦智力的巔峰時(shí)期，他和他的學(xué)生里奧·西拉德一起為一臺(tái)沒有移動(dòng)部件的冰箱申請(qǐng)了專利，就像在熱電冰箱里一樣。然而，制造這樣的設(shè)備需要徹底了解熱量是如何傳導(dǎo)的，以及傳導(dǎo)到什么程度。到目前為止，理論和模型的成功有限。一個(gè)好的熱電需要是一個(gè)導(dǎo)電體，因此相當(dāng)結(jié)晶，但同時(shí)也是一個(gè)熱絕緣體，因此相當(dāng)透明，它需要能夠攜帶和冷凝一個(gè)設(shè)備的兩個(gè)不同的側(cè)面的正電荷和負(fù)電荷，創(chuàng)造一個(gè)電勢(shì)。

然而，根據(jù)現(xiàn)有的熱傳導(dǎo)方程，試圖將熱電體視為晶體或玻璃，將會(huì)導(dǎo)致非常大的誤差，因此很難預(yù)測(cè)它們的效率。論文中概述的新理論，以及對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)更準(zhǔn)確的估計(jì)，以及對(duì)電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)，將使科學(xué)家們能夠計(jì)算熱電學(xué)的“價(jià)值圖”，并對(duì)它們的效率作出估計(jì)。有了這一關(guān)鍵信息，研究人員將能夠利用計(jì)算技術(shù)首先篩選潛在材料，加快這些新技術(shù)的發(fā)展道路。