2020 Fiscal Year Annual Research Report
Phonon blocking due to geometrically-engineered self-energy
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18K03977
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
服部 公則 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (80228486)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | フォノン / 熱輸送 / 熱コンダクタンス / 熱伝導度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱電変換の新しいプラットフォームとして、ナノワイヤに代表されるメゾススコピック・ナノ構造が注目されている。メゾスコピック系においては、フォノンの熱コンダクタンスは低温下で量子化される。この量子化は運動量保存に保護されたmasslessなGoldstone modeに起因しており、不純物によるフォノンの弾性散乱や多フォノンが関与する非弾性散乱とは本質的に無縁である。系内部の熱伝導が系両端の温度差の形成を阻害するため、熱電変換の効率は熱コンダクタンスに反比例する。つまり、フォノン輸送の普遍的量子化は、低温での熱電変換を妨げる原理的要因となる。本研究では、自己エネルギーの幾何学的制御によるフォノン輸送のブロッキングを提案し、massless modeによる熱輸送が系の幾何学的デザインにより抑制可能であることを示した。具体的には、十分に大きなリードあるいはプローブを系に接続することで、自己エネルギーを介して系に人為的なブロードニングを誘発する。その結果として、通常はフォノン散乱にロバストな長波長モードを完全にブロックできる。2020年度には自己無撞着な仮想熱浴と局所的に接触した調和格子における熱輸送の次元クロスオーバーを研究した。揺動散逸定理に基づいて仮想熱浴との接触により系にはフォノン散乱と位相緩和が導入される。仮想熱浴による自己エネルギーは一般にエネルギーのべき関数で表現できる。この研究では、べき指数n=1では任意次元d=1,2,3,…においてFourier型の正常輸送が回復するが、n>dでは非Fourier型の異常輸送が発現し熱伝導度はサイズ増大とともに対数発散あるいはべき発散することが明らかにされた。この研究成果はKiminori Hattori and Masaya Sambonchiku, Phys. Rev. E 102, 012121 (2020)に掲載されている。
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