熱量的傳導方式是否與電路控制電流的方式類似？根據一項新的研究，如果一種新的準粒子能夠被有效地利用來制造一個可行的熱開關，那么可能是的。

如今，幾乎每一項技術都可以成為將電力用于生產目的的案例研究。使用合適的材料，熱量可以產生不同的電流。然而，這項研究的資深作者、俄亥俄州立大學的物理學家和工程師Joseph Heremans表示，“與電流不同，熱量到處流動，而且很難控制。”

然而，即使是一個不完美的熱開關也可能對技術產生重大影響。例如，人類使用的70%以上的能源來自熱量，例如內燃機。熱開關可以提高各類熱機的效率，例如太陽能熱電廠，它們利用太陽的熱量發電。

Heremans說：“發電回路的熱力學效率主要取決于熱儲熱器和冷儲熱器之間的溫差。通過熱開關和儲熱系統，可以將存儲介質的溫度保持在遠高于熱源的平均溫度并接近其最高溫度，這可以將系統的熱效率提高一倍。”

例如，現代的熱開關本質上幾乎都是機械的，通過泵送氣體來工作。隨著時間的推移，它們的運動部件很容易因疲勞而失效。Heremans說，目前的固態熱開關要么只在非常冷的溫度下工作，要么基于在有限溫度范圍內工作的相變。

現在，對普通陶瓷的研究可能有一天會產生固態電控熱開關，它可以在室溫下以實用的方式工作。

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新的熱開關是如何工作的？

研究人員分析了鈦酸鉛鋯（PZT）材料。這種陶瓷是壓電的，這意味著它可以將機械振動轉換為電信號，反之亦然。

PZT是一種稱為鐵電體的壓電物質。材料中的電荷分為正極和負極，在鐵電體中，這些電偶極子通常是極化的，或者是沿相同方向排列的。電場可以改變這些偶極子的取向。

先前的研究表明，鐵電體中的極化可以像準粒子漣漪一樣移動，準粒子漣漪在原子晶格中移動，就像理論上稱為鐵子的粒子在空間中快速移動一樣。類似的準粒子稱為磁振子，可以影響磁性材料中的磁極。磁振子可以攜帶熱量，這使得研究人員懷疑鐵氧體是否也能控制熱量。

現在，科學家們發現了鐵子存在的第一個實驗證據，并且這種準粒子確實可以攜帶熱量。此外，他們的研究表明，鐵電體對電場敏感，這表明鐵電體可以作為熱開關。

研究人員發現，這是一種叫做壓電應變的效應，原子振動，即鐵電體中的熱可以對電場做出反應。當電壓施加到鐵電體上時，原子晶格可能收縮或拉伸，從而改變材料的機械性質及其導熱性。

“我們發現聲子（晶格中的振動波）可以由電場控制，”該研究的主要作者、俄亥俄州立大學的材料科學家Brandi Wooten說，“訣竅是找到合適的材料來承載所需的物質以實現這一點。跳出框框思考，尤其是使用舊的“傳統”材料，可以產生新的有趣的結果。”

These four varying configurations of static and vibrating lattices [A–D] manifest in different dipole moments [graphs on right]. The presence of phonons, of course, affects the dipole moments of those lattices as well.

科學家們發現，向PZT施加電場可以使其起到熱開關的作用，如他們所預測的那樣，其最大導熱率和最小導熱率相差2%。在室溫下，電場對熱導率的影響是之前所見的四到五倍。結果證明非常一致。Wooten說：“該機制非常堅固可靠，非常適合在設備中使用。”

研究人員開發了一個理論模型來預測鐵電體中的鐵磁物質。他們現在正在尋找是否能找到熱轉換效應非常大的材料。

“現在我們有了預測理論，優化工作就可以開始了，”Heremans說，“當然，我們希望世界各地的更多團體來共同參與這項工作。”

Heremans表示，壓電材料可能適合這種新型熱開關技術的實際應用。“這不是白日夢，”他說。

Wooten說，常見的鐵電體包括“廣泛使用的、相對便宜的氧化物，這些氧化物不使用稀有材料，并且在市場上很容易獲得”。他們預計，基于鐵電體的熱開關“由于材料成本以及易于在設備和基礎設施中實施，將為熱開關提供廉價的選擇”。

審核編輯：劉清