华威大学科学家发现金刚石原子缺陷周围的“瞬态热区”——挑战对已知最佳导热体的固有认知。
金刚石因其作为自然界最优良的热导体而闻名于材料科学领域，然而最新研究揭示，在原子尺度上，它可能以意想不到的方式短暂捕获热量。这项发现或将影响科学家基于金刚石设计量子技术——包括超高精度传感器及未来量子计算机——的思路。
在发表于《物理评论快报》的一项研究中，华威大学研究人员与其合作者证明，当金刚石中某些分子级缺陷受到光激发时，会产生微小且瞬态的“热区”，这些局部热扰动在极短时间内扭曲周围晶体结构。这种晶格畸变仅持续数万亿分之一秒，却足以影响与量子行为相关的缺陷特性。
“在金刚石中发现分子尺度缺陷形成热基态的现象，完全出乎我们的意料，”华威大学物理系詹姆斯·劳埃德-休斯教授解释道，“金刚石作为最佳热导体，通常被认为能迅速传导能量，从而抑制此类效应。然而在纳米尺度上，部分声子——即晶格振动的能量量子——会在缺陷附近滞留，形成微区热环境，进而反作用于缺陷本身。”
研究团队聚焦于金刚石中一种特定原子缺陷：一个氮原子取代碳原子并与氢原子键合形成的“氮-氢复合缺陷”（Ns:H-C0）。当研究人员用超快红外激光脉冲激发该缺陷中的碳‑氢键时，原预期热量会立即耗散至金刚石晶格中。
然而，先进光谱技术观测到了异常现象：缺陷短暂进入科学家所称的“热基态”——即周围晶体仍保持局部高温，缺陷自身状态也同时改变。附近累积的振动能量使缺陷的红外特征光谱向高能方向移动，在经历数皮秒的峰值后逐渐衰减。
“本研究采用多维相干光谱技术分析缺陷动态，该技术能区分不同能量光激发下的缺陷响应，”现为牛津大学物理系博士后研究员、前华威大学博士生柯俊恩博士表示，“这是该技术首次应用于金刚石缺陷研究，而直接观测到热激发态的形成过程更超越了我们的预期。这一创新方法取得的成果令人振奋，我们期待其未来在相关领域的探索潜力。”
团队进一步阐明了金刚石未能即时耗散该能量的机理：缺陷通过产生高能特定声子释放能量，此类振动模式传播距离有限。这些声子迁移缓慢且易发生散射，在最终衰变为可快速传热的振动模式前，于缺陷周围形成微小的瞬态热区。
“瞬态局部加热现象至关重要，因为缺陷本质是微纳尺度的敏感量子系统，其周围环境的任何短暂变化都可能影响其稳定性、测量精度及在量子技术中的实际应用。”华威大学物理系赵家辉博士补充道。
金刚石中的氮空位与硅空位缺陷已被视为量子信息处理领域的重要传感元件与基础构建单元。其性能依赖于自旋态的稳定维持——而这些自旋态极易受周围晶格振动干扰。新研究表明，用于调控缺陷的光学技术可能意外诱发微小瞬态热区。此类局部温升或将微妙干扰自旋态，进而可能影响量子相干时间与金刚石基量子器件的整体性能。
