自己エネルギーの幾何学的制御によるフォノン・ブロッキング

2020 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 18K03977
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分19020:熱工学関連
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 服部 公則 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (80228486)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: フォノン / 熱輸送 / 熱コンダクタンス / 熱伝導度 / 自己エネルギー

研究成果の概要

メゾススピック系において、フォノンによる熱輸送はmassless Goldstone modeの存在のため低温下で普遍的に量子化される。この量子化は、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、非平衡グリーン関数を用いた理論解析から、外部熱浴との接触による自己エネルギーを幾何学的に制御することで、低温のフォノン輸送を任意次元において抑制可能であることを示した。また、系を自己無撞着な仮想熱浴と接触させると、自己エネルギーの関数形および系の次元により正常輸送と異常輸送が移り変わることが示された。熱輸送のクロスオーバーは有限サイズ熱伝導度の理論解析から厳密に証明される。

自由記述の分野

量子熱輸送と量子熱制御

研究成果の学術的意義や社会的意義

熱電効果の新しいプラットフォームとして、ナノワイヤなどのナノ構造が注目されている。ナノ構造では、電子系の低次元化や熱伝導の抑制による効率向上が期待される。本研究では、従来にない新たな方法論として、自己エネルギーの幾何学的制御によるフォノン・ブロッキングを提案し、その有効性を理論的に実証した。本研究からは、熱電発電・冷却の飛躍的効率化に向けたブレークスルーが期待される。また、本研究の成果をまとめた論文は世界的に権威のある学術誌Physical Reviewに掲載されており、数世紀以上の長きにわたり未解明な問題であるFourierの法則に対しても重要な示唆を与えている。