2026年3月23日——你可能听不见，但所有固体材料都会发出声音。实际上，原子（通过化学键结合在晶格中）从未静止或沉默：在我们周围每件物体平静的表面之下，都萦绕着低沉的嗡鸣或高亢的吱吱声。

当原子在晶格中振动时，它们要么全部朝同一方向运动（此时集体振动表现为低沉的嗡鸣），要么彼此反向运动（产生能量较高的振动，表现为尖锐的吱吱声）。

“这些振动对经典和量子电子学都至关重要，”最新发表在《物理评论快报》上的研究通讯作者Hanyu Zhu表示。该研究报道了立方砷化硼（一种具有优异电子和热学性能的半导体）中这些振动（声子）的异常量子相干性。

嗡鸣声（即声学声子）在热传导中起关键作用。当计算机芯片发热时，正是声学声子在运载热能。

吱吱声（即光学声子）则主导红外热辐射。它们不仅能提供管理电子器件多余热量的另一渠道，还可直接将信息传输到周围空间。然而，其寿命通常短于声学声子，因为在大多数材料中，光学声子会通过摩擦将能量转移给声学声子。

“量子力学规定该过程必须涉及整数个粒子，意味着至少一进二出，”担任威廉·马什·莱斯讲席教授的材料科学与纳米工程副教授Zhu解释道。

物理学家称此过程为三声子散射。但光学声子向声学声子的能量转移也可能通过另一种更罕见的路径实现——分裂成三个粒子（这个反直觉的过程被称为四声子散射）。

“在砷化硼中，单个光学声子含有的能量超过任何两个出射声学声子的组合能量，因此不会发生两个声学声子对一个光学声子的摩擦作用，”Zhu说，“这意味着砷化硼中的光学声子寿命特别长。”

该研究团队（包括休斯顿大学任志锋课题组和德州理工大学Rui He课题组）制备了仅含硼-11同位素的高质量晶体，随后采用高分辨率拉曼光谱和红外光谱技术，在室温和低温下研究了声子散射路径。

“我们发现低温下声子具有创纪录的高相干性——振动在衰减前能完成近千次循环，而典型材料中不足百次，”Zhu指出。

对相干性温度依赖关系的分析证实：在砷化硼中，四声子散射占主导地位。研究还表明残留的硼-10同位素是量子基态下相干性损失的主因。

“样品中存在一些结构缺陷区域，但令人惊喜的是它们完全不影响光学声子的相干性，”共同作者、Zhu实验室博士生Sanjna Sukumaran表示。

“若消除同位素杂质，寿命还能再延长十倍，”Zhu补充道，“这些发现推动了对砷化硼同位素工程的进一步探索，该材料为量子声子学提供了极具前景的半导体平台。”