Physical Review Letters刊登陳杰教授在相干聲子輸運領域的重要進展
1月3日，物理科學與工程學院聲子學中心陳杰教授及其合作者在《Physical Review Letters》在線發(fā)表了題為“Heat conduction theory including phonon coherence”的研究論文，發(fā)展了關于聲子相干性表征及其對熱導率貢獻的重要理論。
聲子作為固體中的準粒子之一，在納米結構或塊體材料中能夠同時表現(xiàn)出類波性(wave-like)和類粒子性(particle-like)的特征。大多數(shù)固體中的聲子粒子性行為可以通過經(jīng)典的Boltzmann輸運方程或聲子氣體模型來描述。另一方面，聲子本質上為一種晶格振動的格波。近期實驗表明，熱激發(fā)聲子(熱聲子)的類波性可以通過相干機制能對熱傳導起到重要影響。例如，在納米聲子晶體中觀測到的聲子類粒子性和類波動性的共存現(xiàn)象，以及在低溫和短周期下聲子相干輸運占主導的熱傳導行為。另外，最新的研究表明在非晶態(tài)或復雜晶體中存在另外一種熱聲子模式之間的相干性，即相互相干性，也對熱傳導存在顯著的影響，可以成功解釋非晶材料和復雜晶體中的特殊熱傳導機制。在此期間，諸多理論和模擬工作均致力于對聲子相干行為的研究，例如聲子能帶折疊理論，但該理論無法描述其粒子行為，其他替代方法也缺少對真實熱聲子激發(fā)的描述，即無法同時捕獲類粒子和類波動的物理圖像。
圖1. (a)復雜晶體Tl3VSe4結構示意圖；圖(b)基于晶格動力學(白線)和能量密度譜(背景色)的聲子色散關系；圖(c) 100K和300K下隨動力學時間和相干時間變化地0.93THz模式的聲子數(shù)；圖(d) 100K和300K下0.25和0.93 THz模式的隨相關時間變化的聲子衰減。虛-點線表示的是本工作理論的擬合，點型線表示的是經(jīng)典的指數(shù)衰減。
我們近期的理論研究表明[Physical Review B, 103, 184307 (2021)]，只有同時考慮與熱聲子波包展寬相關的本征相干性和類粒子行為，才能準確地刻畫真實的聲子動力學，并且其相干行為體現(xiàn)在一個普適聲子衰減模型上?；诖?，我們進一步以復雜晶體Tl3VSe4結構為例（見圖1(a)），對聲子的波動-相干性及其對熱傳導的貢獻進行了全面的研究。研究發(fā)現(xiàn)，溫度會抑制低頻聲子的相干-波動行為，導致聲子本證(intrinsic)相干性的喪失。另外，聲子色散中不同模式之間會由于相位相干而產(chǎn)生一種相互(mutual)相干效應（見圖1(b)），進而會延緩聲子的衰減（見圖1(c-d)）。這兩種不同但共存的聲子相干行為都會對聲子衰減及其傳導產(chǎn)生重要影響。在低溫下，本證相干性變得很重要，增強了波動-相干性對熱導率的貢獻。而高溫下，模式間的相互相干性也會對熱導率起到很大的影響，并隨溫度升高而增強。我們進一步對熱導率的研究也證明了主流傳統(tǒng)理論中存在的問題，并且證實了我們的模型能夠完整捕捉熱傳導中聲子的類波動性和類粒子性特征，有望在其他復雜晶體、簡單晶體和非晶材料熱傳導研究中得到廣泛應用。綜上，我們提出了一種新的理論框架來描述聲子熱載體的完全相干性，將對低維納米材料和塊體材料熱輸運研究產(chǎn)生重要影響。
我院陳杰教授課題組博士畢業(yè)生、現(xiàn)日本東京大學博士后張忠衛(wèi)為論文第一作者，我院陳杰教授和法國國家科學研究中心Sebastian Volz教授為論文共同通訊作者。Volz教授為同濟大學中歐納米聲子學聯(lián)合實驗室外方召集人，國家高端外專，長期與陳杰教授課題組保持科研合作，雙方已合作發(fā)表SCI論文十余篇。
該工作得到了國家自然科學基金重大項目以及上海市自然科學基金等項目支持。
論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.015901
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