由于超晶格結構熱傳導方面的最新研究，利用溫度差產生電力的熱電裝置可能會更加高效。新的研究發現出人意料，通過納米結構——僅幾十億分之一米厚度薄膜構成的材料，熱能以波而非粒子形式傳導。

熱能，由物質中原子和分子往復振動產生，熱傳遞通常以“隨機游動”的形式，從而難以控制。最新的觀察發現熱能以全新的模式傳遞，稱之為“相干流”，如同河塘里面有序移動的波紋。

在新材料的重要應用領域，上述發現為其精確定制熱能流動提供了可能。例如，此項研究可能引導一種全新方式以摒棄電力裝置或者半導體激光器產生的熱量，而這種熱量有礙甚至會破壞裝置的性能。

本周《科學》雜志報道的這項工作，由麻省理工學院機械工程系研究生Luckyanova、博士后Garg、教授陳剛，以及其他麻省理工學院，波士頓大學，加州理工大學和波士頓學院的學生和教授合作進行。

研究涉及稱之為超晶格的納米結構材料——交替堆積砷化鎵和積砷化鎵薄片，每種薄片以所謂金屬－有機化學氣相沉積工藝依次電鍍而成。

含有此種元素的化合物進行真空蒸發，進一步表面電鍍，厚度可以通過沉積過程時間精確控制。合成的薄片僅僅12納米厚度－約只相當于DNA分子的厚度，整個結構體的厚度變化范圍從24納米至216納米。

研究人員先前認為，即使這種薄片達到原子層級的完美程度，當通過超晶格時，散射傳熱準粒子的薄層界面仍存在足夠多的粗糙度。

之前認為，具有多薄片的物質，散射效應將會累積，進而破會聲子的波效應，麻省理工CarlRichardSoderberg電力工程教授陳剛表示。但這種猜測尚未證實，因此他及其同事決定重新檢測這種進程。

事實上，由Luckyanova進行的實驗和Garg展開的計算機模擬表明，當此類隨機相散射于高頻聲子發生時，波效應于低頻聲子將得到保護。陳剛表示他對Luckyanova傳回的首次實驗數據表明“相干熱傳導確實發生”感到非常驚奇。

清楚依次控制這種相干性的因素，能夠引導更好的舉措突破相干性和減少熱傳導，陳剛透露。這讓電力廠到電力設備的一切熱電裝置的廢熱量的利用成為可行。上述設施設備的應用需要導電性能非常良好而導熱性能又及其差的材料。

這項研究也推動散熱領域的發展，諸如針對電腦芯片的制冷技術。具備聚集和指示熱流的能力能夠更好進行此類裝置的熱能管理。陳剛說，研究人員尚不清楚怎樣施加精確控制，但新的深入理解有所幫助。理解波基礎機制能夠“提供更多的措施操縱熱能傳遞”。

Luckyanova說，應用于實驗的兩種材料有著非常相似的特性，導電性非常良好。但通過控制薄片的厚度和疏密程度，我堅信能夠控制熱能傳導，同時產生熱電裝置需要的絕緣效果。

Grag說，材料薄片之間界面的作用尚未真正被人了解。之前的電腦模擬沒能涵蓋表明紋理變化的影響作用，但我認識到有辦法模擬貫通薄層堆的聲子移動路徑中粗糙度的作用。

研究不僅為控制熱流提供可能性（大部分以具有短波的聲子傳送），也用來控制聲波的移動（主要以具有長波的聲子進行）。陳剛說，這是一種重大基礎研究發現。

研究工作就有重大發現很大程度得益于不同學科種類的研究人員相互合作，以及美國能源部資助的能量前沿中心——固態太陽能光熱能量轉換中心的推動，其在麻省理工定期舉辦多種跨學科會議。

“會議提供長期的富有成果的討論，確實豐富研究內容”，Luckyanova說。小組中不同領域的成員“真切鼓舞著我們從各個角度擊破這個問題。”