《npj Computational Materials》刊登陳杰教授在非晶材料熱輸運領域的重要進展
4月29日，物理科學與工程學院聲子學中心陳杰教授團隊及其合作者在《npj Computational Materials》在線發(fā)表了題為“How coherence is governing diffuson heat transfer in amorphous solids”的研究論文，發(fā)展了描述非晶材料中熱輸運的重要理論。
??? 在不同固態(tài)物質中，伴隨著不同類型晶格振動模式的出現，熱傳導也表現出了多樣的特性，在熱管理或受能量轉換影響的器件和材料相關領域起著關鍵作用。不同于晶體材料中已經發(fā)展相對成熟的基于聲子圖像的熱輸運理論，非晶材料中關于熱振動及其輸運物理圖像仍然存在爭議。由于失去了長程有序即晶格周期性（如圖1(a)所示），聲子的概念在非晶材料中已經失效，因此基于聲子圖像的聲子-氣體模型也不再適用。在過去的幾十年中，許多物理學家嘗試提出了描述非晶材料中熱振動及其輸運性質的理論框架。其中最重要是Allen和Feldman發(fā)展的AF模型，他們的研究表明，群速度算符中非對角項在局域的非傳播振動模式（在非晶材料中被稱為擴散子diffuson）的輸運中起著至關重要的作用，而非對角項描述的是不同模式間的相關性。近期Isaeva 等人發(fā)展了quasi-harmonic Green-Kubo (QHGK) 模型，通過考慮不同模式間的散射相關性來研究非晶材料中熱輸運。雖然AF模型和 QHGK 模型都涉及到不同模態(tài)間相關性這一基礎概念，但深層次的物理圖像和機理尚未被完全理解。此外，以上理論模型中熱振動仍被視為等同于聲子圖像的平面波，其物理圖像基于正則模式和群速度，而這些量在非晶體系中無法清楚定義，這使得基于這些概念描述的熱輸運機理存在爭議。
??? 我院聲子學中心陳杰教授和東京大學Sebastian Volz教授團隊，基于他們近期發(fā)展的相干熱輸運理論[Physical Review B,?103, 184307 (2021); Physical Review Letters 128, 015901 (2022)]，在本工作中深入揭示了非晶材料中的熱輸運機理。他們研究發(fā)現不同于晶體材料中由聲子圖像主導的熱輸運，非晶材料中熱輸運由低頻傳播子（propagon）和高頻擴散子共同主導，而熱振動之間的波動相干圖像在擴散子輸運中起著重要作用。如圖1(b)所示，在全面考慮熱振動的波動特性后，本工作預測的非晶硅熱導率（p+w）能夠與實驗測量結果很好地吻合，同時也為AF模型和QHGK模型的預測結果提供了關于擴散子輸運圖像的清晰解釋。通過將非晶體系中不同熱振動模式當作集體激發(fā)態(tài)，波動相干性的顯著輸運貢獻進一步揭示了材料中由擴散子導致的非晶熱導率對溫度和長度奇異依賴性背后的物理機制。另外，由于相互間的波動相干行為，由大量擴散子組成的集體激發(fā)態(tài)傳播長度能達到微米量級，顯著大于低頻傳播子的輸運長度，并與晶體材料中熱輸運性質存在較大差別。本研究中發(fā)現的擴散子奇異波動行為，揭示了許多現有熱輸運理論模型中尚未全面理解的“振動模式相關性”這一物圖像，并進一步闡明了它們對熱能輸運的貢獻。這項工作不僅引入了一個新的理論框架用于理解非晶材料中熱振動和熱輸運機理，同時也證實了熱聲子波動相干性對包括晶體和非晶材料在內的多種固體熱輸運產生著重要影響。
《npj Computational Materials》是由中科院上海硅酸鹽研究所與英國自然出版集團合作出版的計算物理和計算材料學科英文期刊，入選2020年度“中國最具國際影響力學術期刊”。日本東京大學博士后張忠衛(wèi)為論文第一作者，我院陳杰教授和法國國家科學研究中心Sebastian Volz教授為論文共同通訊作者。Volz教授為同濟大學中歐納米聲子學聯(lián)合實驗室外方召集人，國家高端外專，長期與陳杰教授課題組保持科研合作。張忠衛(wèi)博士即將入職我院助理教授，加入陳杰教授團隊。
該工作得到了國家自然科學基金重大項目以及上海市自然科學基金等項目支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41524-022-00776-w
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