低维非线性格点模型中的能量和粒子输运

Energy and particle transport is a fundamental topic in nonequilibrium statistical physics. Recent studies have revealed the anomalous transport that universally exist in microscopic low-dimensional systems. Such abnormal transport behaviors have been attracting more and more interest because they are so different from those in macroscopic materials. When the temperature of a material is far beyond its Deby temperature, energy transport is basically through the coupling between the oscillation of the particles. It is commonly the case when nanotube and graphene are at room temperature. These materials can be described by lattice models very well. The objects of this project are a serial of representative microscopic and mesoscopic nonlinear lattice models. In the theoretical aspect we will apply molecular dynamics simulation, combined with the fundamental concepts and methods including the mode-coupling theory, the hydrodynamical renormalization analysis, the nonlinear hydrodynamic fluctuation theory, and the effect phonon theory etc. to study the underlying mechanism of energy and particle transport processes. Focuses will be on the mechanism of the divergent heat conduction, the universality of its divergent exponents, and the correlation between super-diffusion and anomalous heat conduction. In the application aspect, studies will focus on the design and optimization of heat current control devices, e.g., heat diode and heat transistor etc. The nonstationary effects such as their frequency response will be specially concerned.

能量和粒子的输运问题是非平衡态统计物理的基本问题。近年来的研究发现微观低维系统中普遍存在非正常输运，这和通常宏观材料中的输运行为具有很大不同因此受到了越来越多的关注。当材料所处温度远高于其德拜温度时，热输运主要由粒子振动间的耦合完成，通常纳米管，石墨烯等材料在常温下就处于这种状况。这时的材料可以由格点模型很好地描述。本项目的研究对象就是几类具有代表意义的微观及介观非线性格点模型。理论方面采用分子动力学模拟，结合模耦合理论、重整化群理论、非线性流体力学涨落理论、有效声子理论等基本概念和方法，研究模型中能量和粒子的输运过程。热传导的发散机制，发散幂指的普适性，发散幂指和热能超扩散幂指的关联等一系列相关问题将成为研究重点。应用方面，研究工作集中于热二极管、热三极管等热控制模型的设计及优化。频率响应等非稳态效应将被特别关注。

能量和粒子的输运问题是非平衡态统计物理中一个重要且基本的研究领域。本项目深入探讨了其中一些热门的课题。我们首先提出了一种共振声子方法去研究一维非线性格点模型中的重整化声子并且得到了声子的弛豫时间和平均自由程。这些方法都可以直接应用于双原子系统中，两个清晰分离的声子模，一个声学模一个光学模都可以由此得到。接着我们研究了模型中一系列关联函数并由此澄清了之前理论预期的发散热导和热能超扩散的普适关系。研究发现此关系只适用于无温压系统，而在有温压系统中原等式需添加一个非零常数。无论系统热导的发散行为如何，此常数必然导致弹道型的热扩散。我们又利用速度分布的系综平均和其空间关联行为取得了坚实证据，证明了局域热平衡在简谐及Fermi–Pasta–Ulam-β模型中的非正常热扩散过程中是不成立的。而这种破坏在具有正常热传导的系统中并不出现。之后我们又研究了流过一维格点模型间弱耦合界面热流在界面强度趋于零时的标度关系并揭示了两个完全不同的普适类。其一当界面势能随界面强度呈现线性关系时，热流正比于强度的二次方。而当势能趋于一个非零常数时，热流随强度呈现幂律关系而此幂指与界面相互作用具体形式相关。在纳米尺度热流控制的课题中，我们研究了热三极管中栅极热阻的作用并发现了其重要作用。只有此热阻低于特定的一些临界值时，此热三极管才是可开关/可控制的。仅在此时热开关/热控制器的功能才能得以实现。基于和实验小组的合作，我们采用光热拉曼谱学技术和数值模拟的方法研究了在多晶六角氮化硼薄膜体系中的晶界并揭示了这些晶界在热输运中的关键作用。