| 研究課題/領域番号 |
18K03977
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
服部 公則 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (80228486)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | フォノン / 熱輸送 / 熱コンダクタンス |
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| 研究実績の概要 |
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則に保護された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フォノンとフォノンの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、非平衡グリーン関数を用いた理論解析から、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、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。本研究では、まず、最小構成である１次元格子と２次元格子の接合を再帰グリーン関数により解析し、フォノン・ブロッキングの基礎理論を構築した。次に、連続弾性体のハミルトニアンを格子上にマップした有効ベクトルモデルを導出し、より現実的な高次元格子系において幾何学的ブロッキングが実現されることを数値計算により実証した。さらに、質量乱れあるいは表面乱れを有する系に幾何学的ブロッキングを処方することで、低温から高温までの広い温度域に渡ってフォノン輸送が抑制できることを確認した。本研究成果はKiminori Hattori and Yohei Nakamura, Phys. Rev. B 97, 224312 (2018)に掲載されている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
研究目的であるフォノン輸送の幾何学的ブロッキングに関する理論解析と数値計算は順調に遂行されている。このことは、本研究成果がKiminori Hattori and Yohei Nakamura, Phys. Rev. B 97, 224312 (2018)に掲載されたことからも裏付けられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は熱輸送の微視的洞察を得るべく非平衡グリーン関数に基づく局所物理量の解析を計画している。特に、自己無撞着な仮想熱浴と局所的に接触した系の熱伝導は興味深い。本研究で例証されたとおり、熱浴との接触は自己エネルギーを介してフォノン散乱と位相緩和をモデルに導入する。このアプローチからは熱輸送の微視的物理に関してさらに根源的な知見が得られるものと期待される。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
次年度使用額は消耗品等を他の財源（運営費交付金）で支出したために生じた。次年度には数値計算の効率化を図るため必要に応じワークステーションとソフトウェアを購入予定である。
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