2018 Fiscal Year Annual Research Report
Achieving thermal conductivity reduction of phononic crystals through deepening the transport theory of phonon waves
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18J14024
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
LIAO YUXUAN 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2020-03-31
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| Keywords | coherence / phonon / thermal conductivity / phononic crystals / Ahkhizer damping |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Heat in phononic crystals (PnCs) is carried by phonons, which can behave coherently (wave-like) or incoherently (particle-like) depending on the modes, temperature, and length scales. In the last year, we shown that coherent phonon relaxation time is significantly reduced by Ahkhizer damping at high temperatures, as a result, contribution of coherent phonons to thermal conductivity of PnCs becomes intrinsically small, which indicates that manipulate heat conduction with coherent effect at high temperature is extremely challenging. To investigate the wave nature of phonons at low temperatures, we conducted neutron scattering experiment at J-PRAC at 4 K (No. 2017B0118 and 2018B0209) to measure the dispersion of phonons. The measured results suggest that coherent phonons may exist blow 1 THz.
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では薄膜に周期ナノ構造を配したフォノニック結晶（PnC）を用いた熱伝導制御を実現するためにPnC内のフォノン特性を解明することを目指している。該当研究員は本年度，高温におけるPnCのフォノン特性を明らかにした。まず調和特性に関し、薄膜やPnCの高周波コヒーレントフォノンの群速度が周波数の定数乗でスケールすること、低周波数では低次元性により状態密度が飛躍的に増加することを明らかにした。一方、コヒーレントフォノンはAhkhizer減衰により強く散乱されるため、結局の緩和時間が減少し、熱伝導への寄与は小さくなることもわかった。そのため、コヒーレント効果を用いた高温におけるPnCの熱輸送制御は困難であると言える。さらに、フォノンの波動性を評価するためJ-PARCを利用し低温（4 K）におけるPnCのフォノン特性を計測した。計測により1 THz 以下の低周波域においてコヒーレントフォノンが存在することが明らかになりつつある。以上の結果はPnCにおけるコヒーレントフォノン特性を理解する上で重要な知見である。筆頭著者の論文も発表し、共同研究を通じて共著論文も投稿済みであり、該当研究員が主体的に様々な研究に取り組み期待通りの成果を上げることができたと判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
For the topic of phonon coherence,we ,last year,have theoretically evaluated the relaxation time of wave phonons, and neutron scattering experiment was performed at J-PARC to direct observe coherence effect at 5 K. In this year, we will continue to push forward the investigation of the wave nature of phonons by molecular dynamics.We will focus on the effect of temperature, roughness and amorphous surfaces on coherent loss from atemperature range of 5 K to 300 K. Additional neutron scattering experiment will be applied at J-PARC.
For the topics of roughness, we will focus on the local properties of PnCs: local distribution of elastic modulus and local phonon scattering rates, which also related to the wave nature of phonons. Molecular and lattice dynamics will be used for these studies.
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Research Products
(4 results)
