钛原子在晶体中同时存在于两个位置，是造成异常现象的原因

结晶的固体BaTiS 3（硫化钛钛）在热传导时很糟糕，并且发现应该责怪同时存在于两个位置的钛原子。该发现是由美国加利福尼亚州理工学院和能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员于11月27日在《自然通讯》杂志上发表的。它提供了对几种材料中观察到的异常热性质的基本原子级见解。研究人员对正在热电应用中使用劣质结晶固体的潜在研究人员特别感兴趣，因为在这些固体中，热量直接转化为电能，反之亦然。

＆＃34;我们发现，即使在类似的条件下，量子力学效应也可以在设定材料的热传输特性方面发挥巨大作用。加州理工学院机械工程与应用物理学教授，《自然通讯》论文的同时通讯作者奥斯汀·明尼希（Austin Minnich）说。

晶体通常善于导热。根据定义，它们是高度组织的，允许原子振动（热量）以波浪的形式流过它们。另一方面，玻璃的导热性很差。它们的内部结构是无序且随机的，这意味着振动在通过时会从一个原子跳到另一个原子。

BaTiS 3属于一类称为钙钛矿相关硫属化物的材料。南加州大学维特比分校化学工程和材料科学的莫克家族系的助理教授Jayakanth Ravichandran及其团队一直在研究它们的光学性质，并最近开始研究其热电应用。

＆＃34;我们有预感，BaTiS 3将具有较低的热度，但该值出乎意料的低。我们的研究显示了一种实现低热导率的新机制，因此下一个问题是系统中的电子是否与热量不同而无缝流动以实现良好的热电性能。 Ravichandran说。

研究小组发现，BaTiS 3和其他几种结晶固体具有“玻璃状”的特征。导热系数。它的导热性不仅可以与无序玻璃媲美，而且实际上随着温度的降低而变差，这与大多数材料相反。实际上，它在低温下的热导率是在任何完全致密（无孔）固体中观察到的最差的导热率之一。

研究小组发现，每个BaTiS3晶体中的钛原子都以所谓的双阱势能存在-也就是说，原子结构中有两个空间想要原子存在。同时存在于两个位置的钛原子产生了所谓的“两能级系统”。在这种情况下，钛原子具有两个状态：基态和激发态。经过的原子振动被钛原子吸收，钛原子从基态进入激发态，然后迅速衰减回到基态。吸收的能量以振动的形式并沿随机方向发射。

吸收和释放振动的整体效果是能量被分散而不是干净地转移。打个比方，就是用磨砂玻璃照耀着光，钛原子像霜。入射波从钛偏转出来，只有一部分穿过材料。

早已知道存在两级系统，但这是第一个直接观察到的系统，该系统足以破坏单晶材料在扩展温度范围（此处为50至500开氏温度）下的热传导。

研究人员通过使用ORNL的散裂中子源，在一种称为非弹性散射的过程中，用中子轰击BaTiS 3晶体来观察这种效应。当中子穿过晶体时，中子会获得或失去能量。这表明能量在某些情况下是从两级系统吸收的，而在另一些情况下则是将能量传递给它们。

＆＃34;进行了真正的侦探工作，以解决有关原子的结构和动力学的奥秘。起初，似乎原子只是位置上无序，但是势能的浅薄意味着它们不能长时间停留在位置上。 ORNL的高级研究员兼《自然通讯》论文的通讯作者迈克尔·曼利（Michael Manley）说。那时ORNL的研究员Raphael Hermann建议对双阱进行量子计算。 ＆＃34;可以隧穿当然是众所周知的，但是我们没想到会在如此大的晶体中看到它。但是很明显：如果孔之间的势垒足够小，那么这种高频隧穿的确是可能的，并且会导致强烈的声子散射，从而产生类似玻璃的导热系数。曼利说。

产生具有低导热率的结晶固体的常规方法是在那些固体中产生许多缺陷，这对诸如导电性的其他性质是有害的。因此，在热电应用中非常需要一种设计晶体材料而不损害其电学和光学性能的方法。少量的结晶固体也表现出同样差的导热性，因此研究小组接下来计划研究这种现象是否也归咎于这些材料。更多信息：Bo Sun等人，《高频原子隧穿在硫族化物单晶中产生超低且类似于玻璃的导热性，《自然通讯》（2020年）。 DOI：10.1038 / s41467-020-19872-w