两个多世纪以来，我们对热的理解一直由一个优雅的方程式主导。约瑟夫·傅里叶于1822年提出的热传导定律将热视为一种均匀向各个方向扩散的流体，像水渗入沙子一样从高温流向低温。对于炉子上的锅或温暖桌面的笔记本电脑来说，它完美适用。但傅里叶从未遇到过声子。
在原子尺度上，热不是流体。它是波。晶格中量子化的振动,,即声子,,以波动特性在固体中传输能量：它们可以干涉、折射、散射，并且事实证明，可以聚焦成定向束，就像光通过透镜一样。问题始终在于温度。在室温下，原子振动如此混乱，以至于这些波动效应被认为完全被抹去，只能在冷却到接近绝对零度几度以上的晶体中观察到。
这一假设刚刚被推翻。今天发表在《自然·物理》上的一项研究中，由加州大学洛杉矶分校胡永杰教授领导的团队报告了首个室温声子聚焦的实验演示。研究团队使用具有非凡热性能的半导体,,立方砷化硼，并利用定制的纳米级温度计直接成像沿特定晶体学方向流动的热量，形成了经典傅里叶理论无法解释的射线状图案。这一发现不仅仅是将低温奇观扩展到更高温度范围。它表明，在日常温度下，在将为下一代电子产品提供动力的材料内部，热可以被工程化、定向，甚至像光一样被开关。
聚焦效应
声子聚焦最早于上世纪60年代由研究声波在晶体中传播的物理学家预测。在各向同性介质中，振动向外均匀传播。但在晶体中，声子的速度取决于其传播方向。某些晶体学方向充当高速公路，允许声子传播得更远；其他方向则像死胡同。结果是显著的各向异性：能量沿着优先轴集中，产生类似海星或雪花的图案，而非平滑扩散的环状。
几十年来，观察这一效应需要10开尔文（零下263摄氏度）以下的低温条件。在如此低温下，热扰动引起的声子散射被冻结，热传输的波动特性主导一切。在室温下，传统观点认为，声子-声子碰撞如此频繁和随机，以至于任何方向偏好都应在漫散射的迷雾中消失。热变得扩散，正如傅里叶所说。
为什么砷化硼打破规则
UCLA团队的突破依赖于胡团队自2018年以来一直在完善的一种材料。立方砷化硼是一种具有简单闪锌矿结构的半导体，但其热性能绝不简单。它具有已知半导体中最高的热导率之一，在室温下达到每米开尔文1300瓦特。这是碳化硅的三倍以上，与金刚石相当，而且可以集成到现有半导体制造工艺中。
秘密在于砷化硼的声子能带结构。该材料的晶格振动在声学声子和光学声子分支之间存在大带隙，抑制了通常消耗能量的三声子散射过程。相反，只有更罕见的四声子过程发生，使声子具有显著更长的寿命和平均自由程。在这项研究中，研究人员发现砷化硼中的声学声子在等效频率下的平均自由程超过了金刚石。在室温下，这些声子可以在不散射的情况下传播数百纳米甚至微米。这足以使波动效应显现。
纳米级温度计
要观察这些效应，团队需要具有非凡空间分辨率的测量技术。他们构建了一套定制的尖端增强拉曼光谱系统，结合了镀金原子力显微镜尖端和拉曼光谱仪。该尖端将激光聚焦成一个约10纳米宽的纳米级热点，小到足以以极高的精度探测局部晶格温度。通过在用另一束激光加热局部区域的同时扫描尖端表面，研究人员重建了热在晶体中传播的二维温度图。
这些图是明确的。傅里叶方程预测的平滑对称温度梯度并未出现，取而代之的是热流沿三个方向集中，形成具有三重旋转对称性的图案。该对称性与立方砷化硼的晶体结构相匹配，确认了热是由晶格本身引导的。团队通过第一性原理计算验证了结果，求解了包含所有三声子和四声子散射过程的完整声子玻尔兹曼输运方程。模拟定量地再现了射线状图案，证实了观测到的行为源于室温下长寿命波动声子输运。
技术意义
实际影响波及多个领域。在电子冷却领域，沿特定晶体学轴引导热量的能力提供了新的设计参数。工程师无需依赖复杂的纳米结构来管理热点，只需调整芯片的晶体学方向即可将热量从敏感元件导走。砷化硼已集成到氮化镓功率晶体管中，并在热点冷却方面表现优于金刚石和碳化硅，成为更具吸引力的平台。
在热管理之外，这一演示为声子光学打开了大门,,一个将声子波类似于光子处理的新兴领域。如果声子能在室温下聚焦、折射和引导，就有可能构建利用晶格振动而非电子处理信息的声子电路，能耗更低。砷化硼中声子的长相干性也使其成为量子技术的候选材料，其中声子可作为量子比特之间的中介或量子信息的载体。
“观测到的热动力学源于具有长传播长度的非平衡声子波的空间重新分布，”作者写道。他们进一步指出，其第一性原理理论识别出受晶体学方向控制的独特输运对称性，并在多个样本上得到了验证。
未来之路
如何在实际器件中利用这些声子射线仍是未知数。聚焦图案是晶体结构的固有属性，但控制它们需要工程设计：引入能够引导、准直或开关声子束的界面、应变场或纳米结构几何形状。UCLA团队已经演示了能够在兆赫兹频率下开关热流的电控热晶体管，为声子波的主动控制提供了可能路径。
通用性问题也同样存在。砷化硼的极端性能使其成为这一首次演示的理想平台，但这些原理应适用于其他高热导率晶体。识别哪些材料支持室温声子聚焦，并设计新材料，将是计算和实验探索的丰富领域。
目前，这一结果是一场静悄悄的革命。傅里叶定律没有错。它仍然是宏观热传输的极好近似。但在声子成为个体而非统计集合的尺度上，热揭示了其真实本质：波动的、定向的，远比简单的梯度流动更有趣。而且是在室温下。事实证明，量子世界并不局限于低温恒温器。它就在我们指尖下的晶体中流动。
参考文献
Li, M., Wu, H., Qin, Z., Su, C., Nguyen, H. D., & Hu, Y. “Phonon focusing at room temperature.” 《自然·物理》 (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03335-y
作者隶属于加州大学洛杉矶分校机械与航空航天工程系以及加州纳米系统研究所。
婷 翻译