低维系统能量反常扩散与热输运的研究

With the progress in the manufacture and in the miniature of devices, nano-micro scale heat conduction in low-dimensional systems has become an important research topic in applied physics. It also provides a crucial approach to understanding non-equilibrium statistical mechanics and transport theory in small systems. We propose studying the spatiotemporal energy distribution, energy diffusion and the moments of heat current fluctuation in non-equilibrium low-dimensional systems with the continuous time random walk and asymmetric simple exclusion process from the point of non-equilibrium statistical physics. We will elucidate the relation between the anomalous energy diffusion and the divergence of thermal conductivity and find the constraints under which the Fourier law is observed. We will also explore the microscopic mechanism of control of heat conduction and thermal rectification in nano-micro scale. The proposed research topic provides insights into the microscopic mechanism of thermal transport in low-dimensional systems and contributes to understanding non-equilibrium statistical mechanics as well as transport theory. Our team has been in pursuit of thermal transport in low-dimensional system for a long time and published serials of papers on main-stream international journal, which have received good citations. We have performed an adequate pre-research work and will complete the proposal in future.

随着加工技术日益进步，器件逐步走向纳米尺度，低维体系中微纳尺度热输运的研究已经成为重要的应用基础研究课题，同时为人们认识有限体系非平衡统计及输运规律提供了重要的途径。申请建议从非平衡统计物理角度，基于连续时间无规行走和非对称排他过程等微观统计动力学模型，研究在平衡及远离平衡情况下低维系统的能量时空关联分布、能量反常扩散和热流涨落矩等内容, 揭示低维系统中反常能量扩散与热导率尺度发散之间的关系，了解傅立叶定律成立的微观动力学条件，探索微纳尺度下热输运调控和热整流效应的微观动力学机制。研究意义在于建立低维系统中能量与热量反常扩散与热传导机制联系，从微观动力学角度加深低维系统中热输运过程的理解，拓展有限系统非平衡统计和输运一般规律的认识。申请人及其团队长期从事低维热输运方向研究，发表系列相关主流国际刊物论文并被同行较高引用，具有成熟前期工作基础，拥有完成申请课题条件。

随着加工技术日益进步，器件逐步走向纳米尺度，低维体系中纳米尺度热输运的研究已经成为重要的应用基础研究课题。以低维体系中热扩散与热输运之间关系为主要研究内容，进而理解低维系统中热量反常扩散与热传导之间的联系，从微观动力学角度加深低维系统中热输运过程的理解。我们选取二维体系为具体研究对象，利用晶格动力学结合分子动力学的方法计算了体系的色散关系，声子的群速度，声子的局域化参与度，声子的寿命等参量，计算表明通过改变微观结构的连接方式可以有效地改变声子的色散关系、群速度和寿命，进而可以实现通过改变微观结构对热导率的调控。通过计算发现不同的微观结构及其键的连接方式对低维体系的热传导有着重要的影响。我们还进一步研究了二维体系中结构中共价键修饰对热导率调控的作用机理。共价键修饰对二维体系热导率的调控作用，发现共价键修饰能够极大的降低二维体系热导率，共价键修饰为在大幅度范围内调控低维体系热导率提供了可能的途径。为更好的理解实际体系的热输运和热扩散的机制，研究了二维FPU模型中的热扩散行为。我们对计算散时空关联函数的程序进行显卡GPU加速并行，计算效率得到极大地提升，从而有可能使得二维扩散的计算得以成为可能。通过计算发现二维体系中时空扩散行为与一维体系有着显著的区别：一维体系热扩散总是呈现超扩散现象，而二维体系随着温度的升高热扩散表现出反常扩散到正常扩散的转变。这些结果有助于提高对微观热调控的理解，对于设计高效率的热电材料和热功能新材料具有一定的理论指导意义。