研究发现，钛原子可同时出现在两个地点的量子特性对其导热特性有重要影响。图为钛原子示意图。

一般来说晶体材料导热性能不错，但是固态晶体三硫钡钛（BaTiS3）导热性很差。最近科学家发现原来是内部钛原子具有量子态一样的特点，可导致其同时出现在两个地方。

11月27日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上的研究，从基础的原子层面找到了产生这种特殊导热性能的原因。这种材料在热电应用领域有很大潜力。热电应用将热能和电能互相直接转换，导热性能差的固态晶体材料是研究人员感兴趣的材料。

研究者之一加州大学机械工程与应用物理学教授明尼希（Austin Minnich）说：“我们发现了量子力学效应，即使在像室温这样普通的条件下也对材料的导热性能起到重要的影响。”

一般晶体的导热性能是不错的。它们的原子结构很有规律，热能以波动的方式传播。可是玻璃不一样，是导热性很差的晶体。它们的内部结构无序，热能只能在原子间跳跃式的传播。

研究合作者南加州大学的拉维汉德兰（Jayakanth Ravichandran）在研究三硫钡钛的光学特性的时候，开始注意到它在热电领域的应用。

“直觉告诉我们三硫钡钛导热性低，但是测出的结果低到出人意料。我们发现了一种新的机制导致如此低的导热性，接下来我们想知道里面的电子是否不像热能这样，能顺畅地流动，有着较好的热电特性。”

这个研究组发现三硫钡钛和其它几种固态晶体，都有着类似玻璃一样的很差的导热性能。不仅如此，当温度降低的时候，三硫钡钛的导热性变得更差，这与多数材料的情况相反。研究发现，它的导热性在低温下，是所有已知的密致型（无孔的）固体中最差的材料之一。

研究组发现，每个三硫钡钛晶体内的钛原子都有两个位置。研究人员把这种机制称为“双级系统”。钛原子有基态和受激态两种状态，传递中的热能被钛原子吸收后，使太原子从基态跃迁至受激态，之后又很快衰退回基态。被吸收的能量以振动的形式随机地向各个方向发散。

如此一个吸收和发散的过程，导致能量被分散，而不能有序地传递。研究人员表示，这就像让光线透过磨砂玻璃一样，钛原子就起到磨砂的效果。传入的能量波被钛原子散射，只有一部分穿过材料。

很久以前研究人员就知道存在这样的双级系统，这份研究第一次直接观测到。他们发现，温度在50～500开尔文之间，这种材料都出现了由这种机制导致导热性能受阻的现象。

研究者表示，以前为了造出低导热性能的材料，不得不故意给固体材料制造瑕疵，但是这样做往往使材料的其它特性受损，比如导电性。因此这份研究找到方法设计出低导热性、却不损害导电性和光学性能的材料，对于热电领域的应用具有重要意义。◇#