可促進材料傳熱的表面極化聲子

上圖所示的平行板示意了用於測量熱傳遞的石英板的圖解。

來自猶他大學和美國匹茲堡大學的KunhanHark和同事們發現了可在很短的間隔內增強物體之間的熱傳遞的新的物理機制。該團隊精確地測量了兩個石英板之間的熱量是如何移動的，這些石英板的間距正好為200納米。他們發現，在微小的分離過程中，能量轉移被增強了大約45倍，它們被歸因於穿過板間間隙的表面光子極化子的耦合。

通常，假設物體是「黑體」，可以在不同溫度下的兩個物體之間的熱傳遞近似。這些是理想的實體，可以吸收所有落在其上的輻射，並根據普朗克定律發射熱輻射。物理學家們已經知道一段時間，當物體到達幾百納米的範圍內時，這種現象就發生了，在那裡，熱量交換的速度比黑體近似預測的要快得多。事實上，這種「近場」增強已經在一些技術中得到應用，包括熱提取和熱光伏系統。

然而，增強效果的廣泛應用受到了對效果的理解不好——這是測量幾百納米之間分離物體之間熱傳遞的重大實驗困難的結果。這些挑戰包括控制不希望的熱流，並實現對兩個物體的定向和分離的精確控制。

平行線

現在，Park和他的同事測量了兩個宏觀的石英板之間的輻射熱傳遞，每個測量板的直徑為5×5毫米，並且它們的距離可以在200～1200 nm之間變化。他們的實驗裝置的一個關鍵特徵是它們可以保持板相互平行，且距離大概只有幾分之一毫米的尺度。事實上，通過改變板之間的夾角，他們能夠顯示熱傳遞對板的平行度非常敏感——當板被錯位3毫秒時，其效率下降5%。

除了證實輻射熱傳遞在短距離上增強外，實驗還表明表面聲子極化子是增強的原因。聲子是粒子在固體中發生的聲激發。石英是極性晶體，這意味著它的聲子可以產生振蕩電場。

這些場可以與石英錶面的光子耦合以產生表面聲子極化子，這是光子激發。測量結果表明，熱傳遞與板之間的分離的平方成正比，這與能量通過表面等離激元極化穿過間隙的理論計算一致。

該小組在《物理評論快報Physical Review Letters》雜誌中寫道，他們的技術可以用來測量一系列不同材料和結構的近場熱輻射特性。

來源：https://physicsworld.com/a/surface-phonon-polaritons-boost-heat-transfer/

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