总结：声子，这个听上去略显抽象的名词，其实正悄然主导着我们身边的世界。从材料的导热效率到电子器件的散热瓶颈，从热电转化的能效提升到高温涂层的隔热保护，声子无处不在。
它是晶格振动的量子化体现，就像光子之于光，声子承载着原子集体的振动能量，决定了热量如何在固体中传播。
近年来，科研人员通过操控声子的寿命、散射和传播路径，成功调控了材料的热导率，为高熵氧化物、热电材料等前沿功能材料的设计提供了新思路。理解声子，不仅能揭示微观世界的奥秘，更能推动能源与信息技术的突破。
声子的概念及其与晶格振动的关系
在固体物理中，声子（phonon）是指晶格振动能量的最小量子，是一种描述晶体中原子集体振动的准粒子。简单来说，声子类似于光子之于光：就像光的电磁波振动能被量子化为光子一样，晶体中原子的集体振动（即晶格振动）被量子化后产生了声子。
每个声子对应晶体中一种特定的振动模式，携带着特定频率的振动能量ℏω（ω为该模式振动角频率，ℏ为普朗克常数）。当晶格振动被激发时，可以看作是产生了声子；当晶格振动衰减时，则对应声子的湮灭。
与电子或质子这样的实粒子不同，声子并不是具有独立实体的粒子，而是凝聚态物理中为方便描述集体激发引入的概念。这种量子化的描述能够解释许多经典理论无法解释的现象，例如低温下晶体比热的异常行为等，从而为研究晶体物理性质提供了更准确的理论基础。
声子的本质可以理解为晶格振动的集体激发。晶体中原子排列在规则的点阵上，但并非静止不动，而是在平衡位置附近不断做微小振动。
这种振动在经典力学下可视为一系列耦合的简谐振子，而在量子力学框架下，其能量只能取特定的离散值，这些能量量子化的振动就是声子。
每个声子对应一种集体振动模式，也意味着具有一定的晶格波矢和准动量。声子的波矢 q 描述振动波的传播方向和波长，处于晶体倒易空间中；相应地，声子的准动量为ℏq，在与其他准粒子相互作用时需满足能量和准动量守恒。
在具有多个原子为基础单元（原胞）的晶体中，晶格振动可分为不同类型的模式，主要分为声学声子和光学声子两类。
声学声子指长波长极限下原胞整体运动的振动模式，相邻原子的振动方向相同，类似于连续介质中的声波（弹性波），振动频率随波矢近似线性关系增加，其波速等同于晶体中的声速。
由于声学声子在长波长下对应整个晶体的协同运动，这类声子通常具有较大的群速度，是热传导的主要贡献者之一。相比之下，光学声子则是频率较高的一支振动模式，在长波长极限下相邻原子的振动方向相反，体现的是原胞内部不同原子相对运动的模式。
光学声子的振动会改变正负离子间的相对位置，因此在离子晶体中可以与光发生相互作用（如红外吸收）。光学声子通常具有较低的群速度，对热传导的直接贡献相对声学声子小，但它们可以通过与声学声子的耦合与散射，对热传导产生间接影响。
doi: 10.1088/1674-4926/44/1/011902
热导率及声子在热传导中的作用
热导率（thermal conductivity，符号κ，也称导热系数）是材料传递热量能力的度量。它定义为单位温度梯度下，通过单位截面积在单位时间内传递的热量，即傅里叶定律中的比例系数：q = -κ ∇T，其中q为热流密度，∇T是温度梯度方向。
直观而言，热导率高的材料（如金刚石、铜）能更有效地将热从高温处传导到低温处，因此常用于散热和传热；热导率低的材料（如玻璃、陶瓷和一些高热阻晶体）则更适合作为绝热体或热障材料，用于隔热保温。
在实际应用中，不同领域对热导率有不同需求：例如电子器件希望材料具有高热导率以快速散热，而热电材料则需要极低的晶格热导率以保持两端温差、提高热电转换效率。
DOI: 10.1016/j.actamat.2021.116709
固体的热导主要有两部分贡献：电子热导和晶格热导。金属中自由电子丰富，因而电子在传热中占主要地位；但在电绝缘体和半导体中，自由电子很少，传热主要依靠声子来完成。
晶格热导率特指由声子（晶格振动）承担的那部分热传导能力。在晶体的热传导过程中，声子是主要的热载流子之一，通过在晶体中的传播将热能从高温处带到低温处。
然而，与电荷载流子的导电类似，声子在传热过程中也会受到各种散射机制的限制，导致其平均传输距离有限，从而使热导率具有有限的数值。
根据热传导的简化气体模型（或玻尔兹曼输运近似），晶格热导率可以表示为以下形式:κ = (1/3) C v l,
其中C是声子的体积比热容，v是声子的平均群速度，l是声子的平均自由程。平均自由程$l$描述了声子在两次连续散射事件之间平均能够传播的距离。从这个公式可以看出，提高材料的比热容或者声子的传播速度，有助于增大热导率；
相反，如果声子的传播途中经常发生散射（导致l变短），则热导率会降低。声子的群速度v由材料的晶格动力学决定：一般来说，刚性大的晶体（键能高、弹性模量大）具有较高的声速，因此声学支声子的群速度大，从而有潜力获得较高的热导率；
而原子量大、键软的材料声速较低，热传导能力往往较弱。这是因为长波长极限下声学声子的传播速度就是材料的弹性波波速，即声速。
调控声子影响材料热导率
来自Hopkins等研究人员于2025年发表在 Nature Communications 期刊上的工作。该研究关注的是包含多种金属元素的氧化物，也称高熵氧化物或多元氧化物，它们在极端环境防护等领域有潜在应用。
研究者选取了一系列稀土氧化物（包括单一稀土元素的氧化物，以及含有多种稀土元素的混合氧化物），系统对比了它们在室温下的热导率和声子行为。实验测量发现：随着氧化物中阳离子种类从单一增加到多种，其晶格热导率显著降低。
例如，多元（多组元）稀土氧化物的热导率比对应的单组元氧化物低很多。这种热导率降低现象被证明直接与声子的寿命缩短有关，尤其是与光学声子模式的寿命变化相关。
DOI: 10.1038/s41467-025-58345-w
为何引入多种不同的原子会降低热导率？其物理原因在于：化学杂乱引入了强烈的声子散射。当晶格中存在不同质量、不同原子半径和键合作用的原子时，晶格周期性受到扰动，声子在传播时不断遇到“不规则”的原子环境。
经典理论上，早在20世纪中叶Abeles和Klemens等人的分析就指出，合金或固溶体中，不同质量原子引起的局部扰动会弹性散射声学声子，导致热导率下降。该研究实验证实了这一点：单组元稀土氧化物中，稀土元素与氧原子质量差异越大，热导率越低；
而多组元混合的氧化物由于存在多种不同元素，晶格质量和键长分布更加离散，因而声子散射更为剧烈，热导率大幅降低。值得注意的是，作者通过红外椭偏光谱直接测量了这些材料中光学声子的寿命（振动模的阻尼宽度）。
结果表明，多元氧化物中光学模的寿命显著小于单一氧化物，说明其光学声子激发更宽、寿命更短，也就是光学声子的强散射。由此建立了一个清晰的关联：材料热导率的降低与光学声子寿命的缩短（或散射率增加）是对应的。
更深入的分析发现，这些多元氧化物中不仅有质量差异引起的散射，还有由于局部键合畸变导致的声子频谱变化。比如，随着不同元素引入，晶体结构中键长和键角产生畸变，表现为光学振动模式的频率发生红移（降低）。
声子频率的红移通常意味着晶格变“软”（振动模式能量降低），这往往伴随着更强的非谐性和散射。该文的理论计算支持了这一点：局部键的扭曲和错位增加了光学声子的散射宽度，从而进一步降低了晶格的有效热传导能力。
总的来说，通过调整材料的元素组成（如在晶格中引入多种不同元素），研究人员提供了一种调控热导率的“旋钮”。这种方法利用化学组成产生的无序显著增强声子的散射，从而可控地降低热导率。
这一发现对设计耐高温热障涂层、热电材料等需要低热导率的功能材料具有重要意义，因为它指出了通过多元掺杂来调整声子散射强度、进而调控热传导的新途径。
