声子学：开启人类认知“热”的新篇章
时间：2013-04-05 来源：千人杂志 阅览量：1053次
导入语：“声子学”的诞生，为人类任何和利用“热”，打开一个不一样的微观视角。
采访/本刊记者 方令
一如二极管、三极管，“声子学”通过“热二极管”、“热三极管”一举突破人们对“热”的认识，让自由“控制热流”成为可能。基于“声子学”的原理和机制，有朝一日，能够自动调节温度的幕墙甚至是智能恒温的聪明大楼都有可能成为现实。
提出这个构想和相关理论的学者，就是国家“千人计划”入选者、同济大学“声子学与热能科学中心”主任，也是世界著名的纳米尺度热传导专家和非线性物理学家李保文。
《千人》杂志特别采访了李保文教授，听他畅谈了“声子”的神奇世界。
“热”的微观视角
《千人》：能否用简单的语言解释一下，什么是声子？
李保文：声子的概念是在研究晶格振动的过程中发展起来的。简单来说，声子其实就是量子化的晶格振动，它并不是真正的粒子，而是一种准粒子。之所以称之为声子，跟“声音”的本质是物体的“振动”有关，实际上，声子（Phonon）的希腊文就是声音的意思，长波的声子也就是声音。
据考证，声子这一名称是由苏联物理学家塔姆在1932年首次提出的。塔姆曾指出：正如光和电子对应一样，可以把声波与我们将称之为“声子”的某些粒子联系起来。
《千人》：为什么会把声子和“热”联系在一起？
李保文：在固体中，尤其是在半导体和绝缘体中，“热”是通过晶格振动来传导的,也就是说，“声子”是热的载体。
我们都知道，“热”是人类生产生活中极为常见又重要的东西，与能源、资源的利用和环境问题都息息相关，但在物理学的各大领域中，热的研究进展几乎是最慢的。半个多世纪前，我们对热的认识也许并不比电少，但随后，建立在量子力学原理上的晶体管和由此引发的微电子革命彻底改变了世界，而科学界对热的研究几乎在原地踏步。今天，一部手机的运算能力已超过第一代大型计算机，但火电、发动机、保温材料等与热相关的东西，大多数还是在基于经典热力学的原理上做着小幅改进，概念和认识上并没有革命性的突破。
“声子学”的诞生可说是一个很好的契机。现在，科学界对声子的研究已经逐渐展开，从了解它的特性到如何用类似电子学操控电子的方式来操控声子的产生、输运、存贮等，衍生出了一门新型学科，基于这些研究，人们可以更好地对“热”和一切“与热相关的体系”进行重新认识，并为人类利用“热”打开一个不一样的微观视角。
《千人》：什么引发了你对声子的兴趣？
李保文：我是1985年南京大学声学专业本科毕业的，1985年到中国科学院声学所读硕士，1990年，在普朗克奖学金的资助下，我去德国师从德国声学学会理事长、欧洲声学学会理事长Volker Mellert教授进行博士学习。可以说，我算是正统的声学出身。但我真正开始研究声子还是后来的事。1992年博士毕业后，因为工作的原因，我转入研究量子混沌和非线性动力学。在研究非相性动力学和一些非平衡态物理的基本问题如能量输运问题的时候发现：当系统加入非线性后，会出现很多原来的线性体系里面没有的东西，如在简单的一维非线性声子体系里会出现反常的热传导，不满足声学里的互易原理，还会出现诸如温度差越大，热流会越小的情形（科学家把这种现象叫做负微分热阻）。因为我的声学背景，也就自然想到如何利用声子的这些新奇现象做一些有用的器件。
《千人》：在“声子学”的发展过程中，你的团队都做了怎么样的工作？
李保文：开始我们用简单的非线性模型从分子振动的视角研究热在微纳米尺度下的传递机制。在研究的过程中发现了些意想不到的结果，从而导致了“热二极管”和“热三极管”的诞生。
当然，热二极管的研究可以追溯到20世纪30年代，但是真正基于调控声子而构造的热二极管则是近十年的事情。2004年，我们基于共振原理和非相性系统的声子频率随温度改变的事实，提出热二极管的理论模型。之后，美国加利福尼亚大学伯克利分校的张之威等人做出了全球第一个真正的热二极管，而日本的小林航则显著提升了热二极管的效率。
热二极管在适当的温度范围内表现出一个有趣的现象——当二极管两端的温差愈大时，流过的热流愈小，这引起了我们的注意，我们想到，利用这一特征，人们有可能实现功能更强大的“热三极管”，类似于电子三极管，充当着热流的开关和放大器的作用。于是，我们在2006年提出了三极管的概念。
这一系列元器件被认为是声子学的基本元件。
声子计算机与温控大厦
《千人》：“声子学”和“声子器件”的相继诞生，给科学界产生了怎么样的影响？
李保文：可以说，热二极管和热三极管的提出和发明使得人们能够自如地控制热流或者是说“声子流”的流动，为人类利用和管理热能开启了崭新的空间。
另外，许多人不知道的是，人们早期研究声子，是为了不让它添乱。由于声子会和电子相互作用，会对电子的传播产生干扰，这就增加了电阻，耗费了能源，还限制了芯片的速度。但是若将导体冷却到足够低温，则会出现零电阻和超导现象——从声子的角度，这很好解释：温度够低，分子安静下来，声子几乎消失。
从信息学的角度，这里就有了一个认识和观念的革新，原来一直以为半导体器件里面的热对信息的储存和传输是有害的，而且是无法驾驭的。声子学的出现改变了这种想法。由声子所携带的热不仅仅是可以调控，而且还可以用来传播信息和处理信息。大家都知道，公认的主要信息载体是电子和光子，对应的信息产业是微电子学和光子学。 而国外的媒体现在认为，声子学的出现给信息家族又添加了一个新的成员。
《千人》：前几年声子计算机的概念曾经引起过关注。
李保文：在电二极管、电晶体管和电逻辑门中，电子的流动以“高电压”和“低电压”来表示，信息则以“0”和“1”来表示；而在热二极管、热晶体管和热逻辑门中，信息仍然是以“0”和“1”来表示， “0”表示低温，“1”表示高温，信息的处理因此可以通过改变温度来控制。所以我们在热三极管的基础上提出了热逻辑门的概念。文章发表在《物理评论快报》上后，就有人说，也许未来的某一天人们也可以做出声子计算机。当然，处理后的信息还需要存储，于是，2008年的时候，我们利用热三极管模型构造了热存储器模型，并于三年之后（2011年）在实验上实现了固态热存储器，实现了声子信息的存储。这些工作都给声子计算机提供了物理原理的基础。
《千人》：也有人认为，由于声子计算机的速度很慢，它只能是个“实验室概念”。
李保文：声子计算机的概念的确面临着许多挑战，由于声子计算机的工作原理与传统的计算机截然不同，譬如如何在外界信号和晶体中原子/分子的振动这两者之间进行转换，即进行信号的输入和输出等的问题，都需要相应的理论和技术来支撑。另外，由于声子的运行速度比电子速度慢很多，声子计算机的运算速度在同等的计算机算法结构上远远无法匹敌电子计算机，所以这种担忧也很正常。
但我个人认为，这样的思维和预测还是典型的线性思维，虽然有一定的道理，但不完全正确。比如人大脑中信息的载体－神经元的传播速度比声子的速度还慢，更不用说跟电子的运行速度比，但对于许多复杂的问题（不是简单的加减成除），人的大脑是比计算机快很多的。另一个经典的例子是，电子计算机刚出现的时候，IBM的创始人Tomas J Watson曾说过，全世界只需要5台计算机，现在回头来看觉得这种预测是很可笑的。
所以关于声子学对于信息学会产生什么样的影响，还有待人们的进一步的研究。任何的预测都是无意义的，甚至在若干年后来看是完全错误的，还不如回到实验室里静下心来，好好做点研究，对声子做更深入的研究和认识，或许有一天会发现预想不到的应用。科学研究的精髓就在于不可预测性。
《千人》：声子学在热调控和热管理方面，可能有哪些应用？
李保文：举个例子，人的体温能稳定地保持37℃，宏观上看，是靠出汗、收缩毛孔来散热或保温；在微观层面，体温调节也能用声子运动解释。我们发现，DNA与制备热二极管、热三极管的材料，在分子结构上有诸多相似；也就是说，人体很可能是一个由大量声子器件构成的智能温控系统。如果将这套系统的原理、机制弄清楚，借鉴应用于建筑，就可能发明出恒温的节能大楼。
声子学研究的成果，还可能帮我们大幅提高热效率。目前的火电机组、汽车引擎，消耗的燃料至少有一半成了废热，声子器件有潜力将燃烧效率显著提高。新的热技术还可用于半导体芯片散热，计算机的运算速度由此将挑战新的极限。
声子学可联姻多学科
《千人》：我国关于声子的研究目前进展如何？在世界上处于什么地位？
李保文：我国科学家在声子和声子学的研究中一直扮演着重要的角色。最早对声子理论做出贡献的是黄昆院士和他的学生们，黄先生和波恩的《晶格动力学理论》奠定了声子理论的基础，后来黄先生回国后和他的很多学生又更进一步发展了声子理论，包括和清华大学的朱邦芬院士合作的半导体超晶格光学声子模式的理论，也叫做黄-朱方程，受到了国内外广泛的关注。而近年来，年轻一代的华人学者主要在如何利用声子的一些特性来进行调控，在声子学的研究中起到了很重要的引领作用。实际上声子学的基本器件， 如热二极管，热三级管，热逻辑门，热存储器的概念的提出和理论模型都是大陆科学家和海外华人科学家们合作提出的。世界上第一个固体热整流器的实验实现的主要的贡献也是在美国加州大学伯克利分校留学的台湾华人。
国内的研究主要是在理论模拟和计算方面。这方面可以说是和其他国家没有太多的差距。但在原创思想，尤其在实验方面还是相对落后的。自2011年，我受同济大学物理科学与工程学院院长陈鸿教授和物理系前任主任王占山教授的热情邀请和大力支持，回来筹建世界第一个声子学中心后，就极力强调理论和实验结合，并和相关的院系，学校，科研单位协同合作，希望在实验方面能很快抢占制高点——不仅仅是要在很短的时间上赶上世界水平，还希望在5-10年内在这个方面能引领全球。作为一个新兴的领域，而且主要是由华人推动发展起来的新领域，我对声子学抱有很大的期望，同时也很担忧，正是由于它的“新”，很多人可能暂时看不到它的实用性而放弃它，因此，我很希望得到国家和有关部门的重视与支持。
《千人》：正如你所说，声子学的研究目前正方兴未艾，能否简单预测下其发展方向？
李保文：声子学的发展仍处于初期，很难预测未来会有什么样的作为。根据目前的状态，我们只能对以后几年能够做的事做一些个人的猜测，给想进入这个领域研究的人提供一些参考。
声子学面临很多理论和实验上的挑战。但是困难和机会总是并存的。声子学的诞生不仅为我们提供了更多的新的研究方向和机遇，也带动了其他传统学科的发展，如声学。声子学的概念完全可以推广到其他频率范围的力学/弹性振动。反过来，控制声波的概念和方法，如声子晶体和超材料的概念，也可以借鉴过来用于控制热流。如近年来研究的比较多的“声音斗篷”的概念可以借用过来发展“热斗篷”。我们的团队也开始开展这方面的理论和实验研究， 并取得了一些成果。
声子学也可以与光子学的联姻。人们把这一新兴方向叫做“PhoXonics”，这里的“X”代替“声子学”(Phononics)中的“n”和“光子学”(Photonics)中的“t”。如果把声子学器件和光子学器件组成一个集成器件，这样可以实现同时操控光子和声子能量，有可能为人类更好地利用太阳能/热能和不同的信息打开另一片新的天地。
声子学和电子学也有交叉的可能。电子除了带电外，也带有热量。所以，人们也可以用电场和磁场来调控电子带有的热能。例如，人们把两个量子点不对称的耦合起来就可以达到热整流效果。加上一个门电压后，也可以实现热三极管功能。人们利用声子与电子的耦合，也可以用温度变化来调控电子的热流。这些器件若能与声子学器件集成，将在纳米或是分子器件的散热和热能利用方面大有可为。
此外，在我看来，声子学的基础理论研究还可以和材料学的研究尤其是新兴功能材料的研究相辅相成。声子学理论可以帮助新兴功能材料扩展其在热能调控和储存方面的用途。过去人们只注重光学，电学，或磁学方面的应用。当然，声子学理论也可以协同材料学设计新兴的人工热功能材料。
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