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颠覆认知！原子级玻璃声子热导达量子极限40%，约为晶体金声子热导10倍

原子尺度下，热还能像经典理论描述的那样流动吗？当器件小到纳米甚至单个原子，热输运必须用量子图像理解，声子成为主要热载流子。问题在于，电子输运早在三十年前就通过原子金属接触实现了电导量子化研究，而声子热输运在原子极限下仍缺乏类似实验平台。理论上，热通过离散通道传递，单个弹道通道的热导上限为 G0,Th = π²kB²T/3h；一维绝缘体有三个声学通道，因此室温总量子极限约为 3G0,Th ≈ 1 nW K⁻¹。要接近这个极限，声子必须无散射地弹道通过通道。过去这类条件多在毫开尔文低温实现，室温下则常因散射、宽谱贡献和系统尺寸过大而难以确认。因此，如何在室温、原子尺度上可靠测量声子热输运，并判断结构无序是否限制热流，成为核心挑战。

鉴于此，美国科罗拉多大学博尔德分校的崔龙基教授和西班牙马德里材料科学研究所J. G. Vilhena研究员用一根定制的高刚度扫描热探针，借助热反馈而非电反馈，形成“声子断裂结”，直接测量非晶二氧化硅（a-SiO₂）一维原子链的热导。结果发现，这种在宏观上本是热绝缘体的玻璃，在原子极限下却成为高效热导体：室温下，单个原子级玻璃结的热导可达量子极限的约 40%，即 1.20±0.14G0,Th，远高于晶态金原子结的声子热导，后者约低一个数量级。结合分子动力学模拟，研究人员指出，决定原子尺度热流的关键不是结构有序或晶态，而是 Debye 频率。a-SiO₂ 的 Debye 频率约 160 meV，Au 仅约 20 meV，前者能支持更高频声子参与传热，从而更接近量子极限。这一工作说明，结构无序并不从根本上阻碍原子尺度上的相干声子流，并为热声子器件提供了新的实验平台。相关论文以题为“Thermal conductance of atomic-scale glass reaches 40% of quantum limit”发表在最新一期《nature nanotechnology》上。

高刚度扫描热显微镜声子断裂结技术

先看测量平台。研究团队制造了高刚度扫描热显微镜探针，核心是 NbN 热敏电阻，工作在低于 10⁻⁹ torr 的超高真空中，以减少对流和污染。探针被加热到比环境温度 Ta≈290 K 高约 90 K 的 Tp，样品保持室温。测量时，热针尖逼近样品，直到热导超过 2 nW K⁻¹，形成固体接触；随后回撤，拉出原子级接触并使其断裂。热导定义为 GTh,meas = Qmeas/(Tp−Ta)，实验噪声本底约 40 pW K⁻¹。探针纵向刚度高达约 50,000 N m⁻¹，使其在拉断 a-SiO₂ 共价键时位移仅约 0.4 pm，避免探针自身变形干扰原子接触。探针热导标定为 2.4 μW K⁻¹，热时间常数约 5.3 ms。从纳米接触回撤到原子接触的过程如（图1a）所示，而（图1b）中的回撤轨迹清楚呈现了从扩散主导到弹道输运的转变。

图 1 | 用 Hs-SThM 进行声子断裂连接测量

a-SiO₂ 原子接触中的声子输运

在 a-SiO₂ 原子接触中，探针以 110 pm s⁻¹ 逼近，压入后达到 10–15 nW K⁻¹ 的回撤设定点，再回撤。热导随距离出现离散阶梯式下降，说明原子接触一个一个断裂。单条轨迹可能受具体原子构型和局部热涨落影响，因此作者连续采集约 2,000 条轨迹构建统计直方图。在（图2b）中，热导分布出现明显峰值，位于 1.20±0.14G0,Th对应三通道理论弹道极限 3G0,Th 的约 40%。近场辐射热传递最大贡献小于 80 pW K⁻¹，且不是阶梯式，保守计入后峰值为 1.20±0.29G0,Th。另一根独立探针和样品给出 1.26±0.14G0,Th，说明结果可重复。无监督聚类分析也表明，约 1.2G0,Th 的峰或肩出现在多个独立断裂家族中，不是人为挑选造成。分子动力学模拟中，回撤时 tip 与样品间形成离散共价键，热导阶梯对应接触断裂；在约 1,000 个有效构型中，单原子线构型的模拟热导集中在 1.0G0,Th，约为最大量子热导值的三分之一，见（图2d）。

图 2 | 玻璃（非晶 SiO2）原子接触中的热传输实验和模拟结果

Au 单原子接触中的声子输运

作为对比，作者把探针尖端镀 Au，并逼近清洁 Au 衬底，同时测量电导和热导。达到 5G₀,ee 后以 35 pm s⁻¹ 回撤，其中 G₀,ee=2e²/h=1/12.9 kΩ。电导和热导回撤轨迹都呈离散阶梯，符合原子接触断裂。由于 Au 中电子和声子都传热，作者用 Wiedemann–Franz 定律分离电子热导：GTh,e=L₀TG₀，L₀=π²kB²/3e²。统计所有轨迹后，Lorenz 比 L/L₀ 的峰值在 1.07，见（图3c）。偏离 1 的部分主要来自声子，因为 Joule 加热和热辐射在 Au–Au 系统中可忽略。由于单个电子通道因自旋简并携带 2G0,Th，7% 偏离对应声子热导约 0.14G0,Th；模拟给出 Au 最可能声子热导约 0.12G0,Th，见（图3e）。这说明 a-SiO₂ 原子链的声子热导比晶态 Au 链高近一个数量级。

图 3 | Au原子接触中的热传输实验和模拟结果

原子接触中的声子相干性

为什么玻璃反而更强？关键在于声子透射和热容的匹配。热流谱分解显示，声子通过原子接触时保持相干，进入结后没有明显能量再分布。用 Landauer–Büttiker 图像，热导可写成 GTh(ν,T)=CV(ν,T)τ(ν)，其中 CV 是模态热容，τ 是透射函数。一维链最多支持三个声子通道，因此 τ(ν)≤3。室温下，CV 在 200 meV 以上已不重要，材料能否在这个范围内高效透射声子，决定了热导大小。a-SiO₂ 的振动谱很宽，三个通道中两个在 40 meV 以下几乎完全量子化，第三个也贡献至少 40% 的最大值，见（图4c）。Au 只能支持到约 20 meV 的振动，许多热容可及的高频模式无法参与输运，因此声子热导低得多。也正因如此，作者认为轻原子核、高 Debye 频率的材料更有利于原子尺度声子传热；而结构无序并不必然破坏相干声子流。a-SiO₂ 原子链机械稳定、结构明确，是研究原子极限相干声子输运的理想体系。

图 4 | 原子级结中的相干传输机制

总结与展望

总结来看，这项工作把电子断裂结的思想推广到声子世界，用热反馈扫描探针在室温下测量绝缘玻璃的原子级热导，发现 a-SiO₂ 原子链可达到理论量子极限的约 40%，而 Au 原子结的声子贡献低约一个数量级。核心结论是：在原子尺度，决定热流的不是晶态或结构有序，而是 Debye 频率；结构无序不会从根本上阻断相干声子输运。这一平台使人们有望在低温以上研究声子量子化、声子局域化和热导发散等长期预测但难以实验触及的现象，也为量子声子学、热电器件和热逻辑系统提供了新的可能。