Physical Review Letters刊登陈杰教授在相干声子输运领域的重要进展

发布时间:2022-01-04

1月3日,物理科学与工程学院声子学中心陈杰教授及其合作者在《Physical Review Letters》在线发表了题为“Heat conduction theory including phonon coherence”的研究论文,发展了关于声子相干性表征及其对热导率贡献的重要理论。

声子作为固体中的准粒子之一,在纳米结构或块体材料中能够同时表现出类波性(wave-like)和类粒子性(particle-like)的特征。大多数固体中的声子粒子性行为可以通过经典的Boltzmann输运方程或声子气体模型来描述。另一方面,声子本质上为一种晶格振动的格波。近期实验表明,热激发声子(热声子)的类波性可以通过相干机制能对热传导起到重要影响。例如,在纳米声子晶体中观测到的声子类粒子性和类波动性的共存现象,以及在低温和短周期下声子相干输运占主导的热传导行为。另外,最新的研究表明在非晶态或复杂晶体中存在另外一种热声子模式之间的相干性,即相互相干性,也对热传导存在显著的影响,可以成功解释非晶材料和复杂晶体中的特殊热传导机制。在此期间,诸多理论和模拟工作均致力于对声子相干行为的研究,例如声子能带折叠理论,但该理论无法描述其粒子行为,其他替代方法也缺少对真实热声子激发的描述,即无法同时捕获类粒子和类波动的物理图像。



图1. (a)复杂晶体Tl3VSe4结构示意图;图(b)基于晶格动力学(白线)和能量密度谱(背景色)的声子色散关系;图(c) 100K和300K下随动力学时间和相干时间变化地0.93THz模式的声子数;图(d) 100K和300K下0.25和0.93 THz模式的随相关时间变化的声子衰减。虚-点线表示的是本工作理论的拟合,点型线表示的是经典的指数衰减。


我们近期的理论研究表明[Physical Review B, 103, 184307 (2021)],只有同时考虑与热声子波包展宽相关的本征相干性和类粒子行为,才能准确地刻画真实的声子动力学,并且其相干行为体现在一个普适声子衰减模型上。基于此,我们进一步以复杂晶体Tl3VSe4结构为例(见图1(a)),对声子的波动-相干性及其对热传导的贡献进行了全面的研究。研究发现,温度会抑制低频声子的相干-波动行为,导致声子本证(intrinsic)相干性的丧失。另外,声子色散中不同模式之间会由于相位相干而产生一种相互(mutual)相干效应(见图1(b)),进而会延缓声子的衰减(见图1(c-d))。这两种不同但共存的声子相干行为都会对声子衰减及其传导产生重要影响。在低温下,本证相干性变得很重要,增强了波动-相干性对热导率的贡献。而高温下,模式间的相互相干性也会对热导率起到很大的影响,并随温度升高而增强。我们进一步对热导率的研究也证明了主流传统理论中存在的问题,并且证实了我们的模型能够完整捕捉热传导中声子的类波动性和类粒子性特征,有望在其他复杂晶体、简单晶体和非晶材料热传导研究中得到广泛应用。综上,我们提出了一种新的理论框架来描述声子热载体的完全相干性,将对低维纳米材料和块体材料热输运研究产生重要影响。

我院陈杰教授课题组博士毕业生、现日本东京大学博士后张忠卫为论文第一作者,我院陈杰教授和法国国家科学研究中心Sebastian Volz教授为论文共同通讯作者。Volz教授为同济大学中欧纳米声子学联合实验室外方召集人,国家高端外专,长期与陈杰教授课题组保持科研合作,双方已合作发表SCI论文十余篇。

该工作得到了国家自然科学基金重大项目以及上海市自然科学基金等项目支持。

论文链接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.015901