Physical Review Letters刊登陳杰教授在相干聲子輸運(yùn)領(lǐng)域的重要進(jìn)展
1月3日，物理科學(xué)與工程學(xué)院聲子學(xué)中心陳杰教授及其合作者在《Physical Review Letters》在線發(fā)表了題為“Heat conduction theory including phonon coherence”的研究論文，發(fā)展了關(guān)于聲子相干性表征及其對(duì)熱導(dǎo)率貢獻(xiàn)的重要理論。
聲子作為固體中的準(zhǔn)粒子之一，在納米結(jié)構(gòu)或塊體材料中能夠同時(shí)表現(xiàn)出類波性(wave-like)和類粒子性(particle-like)的特征。大多數(shù)固體中的聲子粒子性行為可以通過(guò)經(jīng)典的Boltzmann輸運(yùn)方程或聲子氣體模型來(lái)描述。另一方面，聲子本質(zhì)上為一種晶格振動(dòng)的格波。近期實(shí)驗(yàn)表明，熱激發(fā)聲子(熱聲子)的類波性可以通過(guò)相干機(jī)制能對(duì)熱傳導(dǎo)起到重要影響。例如，在納米聲子晶體中觀測(cè)到的聲子類粒子性和類波動(dòng)性的共存現(xiàn)象，以及在低溫和短周期下聲子相干輸運(yùn)占主導(dǎo)的熱傳導(dǎo)行為。另外，最新的研究表明在非晶態(tài)或復(fù)雜晶體中存在另外一種熱聲子模式之間的相干性，即相互相干性，也對(duì)熱傳導(dǎo)存在顯著的影響，可以成功解釋非晶材料和復(fù)雜晶體中的特殊熱傳導(dǎo)機(jī)制。在此期間，諸多理論和模擬工作均致力于對(duì)聲子相干行為的研究，例如聲子能帶折疊理論，但該理論無(wú)法描述其粒子行為，其他替代方法也缺少對(duì)真實(shí)熱聲子激發(fā)的描述，即無(wú)法同時(shí)捕獲類粒子和類波動(dòng)的物理圖像。
圖1. (a)復(fù)雜晶體Tl3VSe4結(jié)構(gòu)示意圖；圖(b)基于晶格動(dòng)力學(xué)(白線)和能量密度譜(背景色)的聲子色散關(guān)系；圖(c) 100K和300K下隨動(dòng)力學(xué)時(shí)間和相干時(shí)間變化地0.93THz模式的聲子數(shù)；圖(d) 100K和300K下0.25和0.93 THz模式的隨相關(guān)時(shí)間變化的聲子衰減。虛-點(diǎn)線表示的是本工作理論的擬合，點(diǎn)型線表示的是經(jīng)典的指數(shù)衰減。
我們近期的理論研究表明[Physical Review B, 103, 184307 (2021)]，只有同時(shí)考慮與熱聲子波包展寬相關(guān)的本征相干性和類粒子行為，才能準(zhǔn)確地刻畫(huà)真實(shí)的聲子動(dòng)力學(xué)，并且其相干行為體現(xiàn)在一個(gè)普適聲子衰減模型上。基于此，我們進(jìn)一步以復(fù)雜晶體Tl3VSe4結(jié)構(gòu)為例（見(jiàn)圖1(a)），對(duì)聲子的波動(dòng)-相干性及其對(duì)熱傳導(dǎo)的貢獻(xiàn)進(jìn)行了全面的研究。研究發(fā)現(xiàn)，溫度會(huì)抑制低頻聲子的相干-波動(dòng)行為，導(dǎo)致聲子本證(intrinsic)相干性的喪失。另外，聲子色散中不同模式之間會(huì)由于相位相干而產(chǎn)生一種相互(mutual)相干效應(yīng)（見(jiàn)圖1(b)），進(jìn)而會(huì)延緩聲子的衰減（見(jiàn)圖1(c-d)）。這兩種不同但共存的聲子相干行為都會(huì)對(duì)聲子衰減及其傳導(dǎo)產(chǎn)生重要影響。在低溫下，本證相干性變得很重要，增強(qiáng)了波動(dòng)-相干性對(duì)熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)。而高溫下，模式間的相互相干性也會(huì)對(duì)熱導(dǎo)率起到很大的影響，并隨溫度升高而增強(qiáng)。我們進(jìn)一步對(duì)熱導(dǎo)率的研究也證明了主流傳統(tǒng)理論中存在的問(wèn)題，并且證實(shí)了我們的模型能夠完整捕捉熱傳導(dǎo)中聲子的類波動(dòng)性和類粒子性特征，有望在其他復(fù)雜晶體、簡(jiǎn)單晶體和非晶材料熱傳導(dǎo)研究中得到廣泛應(yīng)用。綜上，我們提出了一種新的理論框架來(lái)描述聲子熱載體的完全相干性，將對(duì)低維納米材料和塊體材料熱輸運(yùn)研究產(chǎn)生重要影響。
我院陳杰教授課題組博士畢業(yè)生、現(xiàn)日本東京大學(xué)博士后張忠衛(wèi)為論文第一作者，我院陳杰教授和法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心Sebastian Volz教授為論文共同通訊作者。Volz教授為同濟(jì)大學(xué)中歐納米聲子學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室外方召集人，國(guó)家高端外專，長(zhǎng)期與陳杰教授課題組保持科研合作，雙方已合作發(fā)表SCI論文十余篇。
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目以及上海市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。
論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.015901
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