Quasiparticle viscous hydrodynamics induced by quasiparticle interaction

• Project/Area Number: 19H01840
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Gakushuin University
• Principal Investigator: Machida Yo 学習院大学, 理学部, 教授 (40514740)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2021: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2020: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2019: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 熱輸送 / フォノン / 粘性流体 / フォノン流体 / グラファイト / 熱伝導率 / 絶縁体結晶 / ダイヤモンド / 流体力学 / 流体力学的熱輸送 / 準粒子粘性流体

Outline of Research at the Start

固体中のフォノンや電子をはじめとする準粒子が、あたかも流体の様に集合的に振る舞う準粒子流体の運動は粘性によって特徴付けられ、個々の準粒子の拡散によって生じる通常の輸送現象とは一線を画す特異な現象を発現する。本研究は準粒子粘性流体を輸送特性の観点から包括的に研究し、固体に潜む粘性流体の存在をあぶり出す定量的な方法論を確立することで、同現象の普遍性を見出す。

Outline of Final Research Achievements

By observing the hydrodynamic heat transport of phonons in graphit and sapphire, it is shown that the phenomenon is not restricted to materilas with exceptional purity. The superior thermal conductivity has been found in thin graphite. The slight difference in crystal structure can give rise to the enhancement of thermal conducitivity by thinning. The quantitative understanding of our observation remains as futuer work.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

フォノンの流体的熱輸送が特定の純良物質や特定の温度域に限定されず、固体結晶に広く見出し得ること示し、我々の固体の熱輸送についての基礎的理解を促進した。結晶構造の僅かな違いがフォノンの流体的性質ならびに熱伝導率の大きさに多大なる影響を与え得ることを見出した。この結果はフォノンの流体的性質を積極的に活用することにより固体の熱伝導率が自在に制御でき得ることを示しており、従来の方法とは一線を画す熱伝導制御技術の礎となる可能性を提供している。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Huazhong University(中国)
• [Int'l Joint Research] University of Paris-Saclay/College de France/ESPCI(フランス)
• [Int'l Joint Research] The Johns Hopkins University(米国)
• [Int'l Joint Research] ESPCI Paris(フランス)
• [Journal Article] The phonon thermal Hall angle in black phosphorus (2023)
  • Author(s): Li Xiaokang、Machida Yo、Subedi Alaska、Zhu Zengwei、Li Liang、Behnia Kamran
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 1027-1027
  • DOI: 10.1038/s41467-023-36750-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Phonon thermal Hall effect in a metallic spin ice (2022)
  • Author(s): Taiki Uehara, Takumi Ohtsuki, Masafumi Udagawa, Satoru Nakatsuji & Yo Machida
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 4604-4604
  • DOI: 10.1038/s41467-022-32375-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Phonon Hydrodynamics in Solids (2021)
  • Author(s): 町田洋
  • Journal Title: Butsuri Volume: 76 Issue: 7 Pages: 444-449
  • DOI: 10.11316/butsuri.76.7_444
  • NAID: 130008062450
  • ISSN: 0029-0181, 2423-8872
  • Year and Date: 2021-07-05
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phonon hydrodynamics and ultrahigh-room-temperature thermal conductivity in thin graphite (2020)
  • Author(s): Yo Machida, Nayuta Matsumoto, Takayuki Isono, Kamran Behnia
  • Journal Title: Science Volume: 367 Issue: 6475 Pages: 309-312
  • DOI: 10.1126/science.aaz8043
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 低温異常ネルンスト効果測定による磁気トポロジカル状態の検証 (2023)
  • Author(s): 中村紘人, 小池祐樹, 見波将, 冨田崇弘, 小池美夏, M. Y. P. Akbar, A. A. Nugroho, 町田洋, 中辻知
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 金属スピンアイスPr2Ir2O7におけるフォノンによる熱ホール効果 (2022)
  • Author(s): 町田洋
  • Organizer: 東京大学物性研究所量子物質セミナー
• [Presentation] 金属磁性体Pr2Ir2O7の熱電現象 (2022)
  • Author(s): 小池美夏, 横井滉平, 大槻匠, 中辻知, 町田洋
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 超高純度半金属NbAs2単結晶における巨大ネルンスト効果 (2022)
  • Author(s): 横井滉平, 駒田盛是, 村川寛, 酒井英明, 町田洋, 花咲徳亮
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 固体におけるフォノン流体による熱輸送 (2021)
  • Author(s): 町田洋
  • Organizer: 応用物理学会応用電子物性分科会研究例会「ナノ材料・構造による高度な熱制御と新展開」
  • Invited
• [Presentation] 純良な絶縁体結晶におけるフォノン流体現象 (2021)
  • Author(s): 川畑拓也、町田洋
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] グラファイトにおけるフォノンの流体的熱輸送 (2019)
  • Author(s): 町田洋, 松本那由他, 磯野貴之
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会