工程师在研究热电电子和计算机技术所涉及材料的基本特性时面临挑战，因为它们已被小型化到纳米级。在许多情况下，目标太小而无法用光学仪器看到。

在尖端电子显微镜和新方法的帮助下，加州大学欧文分校、麻省理工学院和其他机构的一个研究小组发现了一种以原子分辨率绘制声子（晶格中的振动）的方法。这可以更深入地了解热量通过量子点和电子元件中的工程纳米结构传播的方式。

为了研究声子如何通过晶体中的缺陷和界面分布，科学家们利用透射电子显微镜中的振动电子能量损失光谱法探测了靠近硅锗单量子点的声子的动态行为，该设备保存在欧文UCI校区的材料研究所。结果发表在《自然》杂志上。

“我们开发了一种新技术，以原子分辨率差分映射声子动量，这使我们能够观察仅存在于界面附近的非平衡声子，”共同作者、UCI 材料科学与工程和物理学教授、Henry Samueli Endowed 潘晓庆说工程系主任，IMRI 主任。

潘补充说：“这项工作标志着该领域的一项重大进展，因为这是我们第一次能够提供直接证据，证明漫反射和镜面反射之间的相互作用在很大程度上取决于详细的原子结构。”

潘认为，在原子尺度上，热量在固体材料中以原子波的形式传输，随着热量远离热源，这些原子波已经从平衡位置移动。

在具有有序原子结构的晶体中，这些波被称为声子：原子位移的波包倾向于携带与其振动频率相等的热能。

利用锗和硅的合金，该团队能够研究声子如何倾向于在量子点的无序环境中、在量子点和环绕的硅之间的界面中以及在量子的圆顶形表面旁边点纳米结构本身。

潘补充说，软化的声子包含更少的能量，这意味着每个声子携带的热量更少，从而降低了热导率。振动的软化是热电设备阻碍热量流动的几种机制之一。

该项目的主要成果之一是开发了一种绘制材料中热载体方向的新方法。

电子工程师已经成功地将电子产品中的组件和结构小型化到目前已降至十亿分之一米的程度。这与可见光的波长相比要小得多，因此这些结构对光学方法是不可见的。

“纳米工程的进步已经超过了电子显微镜和光谱学的进步，但通过这项研究，我们正在开始追赶的过程，”共同作者、UCI 潘氏小组的研究生 Chaitanya Gadre 说。

可能从这项研究中受益的一个领域是热电学（将热量转化为电能的材料系统）。

“热电技术的开发人员努力设计阻碍热传输或促进电荷流动的材料，以及热如何通过嵌入的固体传输的原子级知识，因为它们通常带有故障、缺陷和缺陷，将有助于实现这一目标quest，”共同作者，UCI 物理学和天文学教授 Ruqian Wu 说。