声子热输运的调控机制及其统计动力学特征研究

With advances in nanofabrication technologies, control of phonon heat transport in low-dimensional systems have become a hot area of concern for both applied research and non-equilibrium statistics. However, due to the difficulty of micro/nano-scale calorimeter experiments as well as the theoretical difficulties of non-equilibrium transport, understanding the control of heat flow processes in low-dimensional systems is not yet clear and needs to be studied further. Using molecular dynamics simulations and quantum non-equilibrium Green's function, we propose to study the control of heat flow and its statistical kinetic characteristics in low-dimensional systems. The main contents of research includes: (1) with construction of the thermos-physical heterojunction and microscopic lattice meta-structure, studying the energy diffusion in different low-dimensional systems and exploring ways and rules of heat flow regulation at micro-level. (2) By the calculation of the high-order fluctuations of flows, studying the statistical dynamics with the coupling of heat flux, current, and spin flow, and exploring the possibility that the low-dimensional transport may be invalid on the Onsager reciprocity relations. This proposed research not only enriches the understanding of the general physical characteristics of non-equilibrium statistics in low-dimensional systems, but also provides theoretical references for the frontiers of thermal physics experiments.

随着纳米加工技术的进步，低维系统中声子热输运及热流调控已经成为应用研究和非平衡统计物理共同关注的热点。然而由于微纳尺度下热测量的技术难度以及非平衡输运理论体系的不完善，低维系统中的热流调控及其物理机制还不清楚，有待深入研究。申请建议从非平衡统计角度，采用分子动力学模拟、量子非平衡格林函数和量子主方程的方法，研究低维体系热流调控途径，认识输运过程的统计动力学特征，理解导热性质调控的微观物理机制。计划研究内容主要有：①构建热物性异质结和微观超结构格点等，研究不同低维体系中能量扩散过程，探寻微观层次下结构对热流调控影响和规律；②设计具有外场可调热性质的低维格点模型，计算热流的高阶涨落，研究热流与电流、自旋流等耦合的统计动力学特征，探讨对昂萨格倒易关系可能的突破。该研究课题既发展了非平衡统计物理在低维小体系输运中的应用，也为前沿的热物性实验技术提供可能的指导，具有一定的理论意义和应用价值。

随着纳米加工技术的进步和电子器件微纳化，使得以声子为载流子能量扩散和热输运调控的研究成为统计物理和工程热物理的共同热点。项目以二维经典格点为基本模型，通过开发的基于GPU并行加速的分子动力学模拟以及能量涨落关联的计算发现，在动量守恒的二维格点模型中，能量时空扩散关联函数满足莱维扩散分布，首次从热扩散的角度直接证明了动量守恒的二维体系中热反常扩散过程反常热输运。在长程非线性相互作用FPUT-β模型体系中，我们发现不同模式能量分布在长程衰减指数δ=1附近出现显著的动力学过渡行为：当δ<1时，能量显著局域化，呈现出典型的长程体系特征，而当δ>1时，系统的长程关联减弱，能量分布逐渐趋向于经典的能均分结果。此外，在简化模型的基础上，我们还进一步研究了氮化镓，纳米线和钙钛矿等实际材料中原子掺杂，外延缺陷和晶格非线性对声子热输运及其调控影响。在氮化镓中发现掺杂后，发现声子带隙和增强的声子散射空间增大抑制了声子寿命，进而导致热导率极大的降低；纳米线在低孔隙率的情况下，内部缺陷比表面缺陷更强烈地散射声子；晶格非谐性在金属卤化物钙钛矿结构相变和热力学性质起着非常重要的作用。上述对于经典格点体系能量扩散统计动力学特征的研究以及对实际材料中声子热输运调控机制的理解，不仅促进了统计物理在微观层次能量扩散过程的认识，同时也对微纳器件的热管理提供可能的设计参考。研究圆满完成了项目计划的内容，达到了项目的预期研究目标。