[論文レビュー] Modulating heat conduction by stretching or compressing

Jianjun Jiang, Hong Zhao|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2016

Thermal properties of materials参考文献 44被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、一次元フェルミ・パスタ・ウラーム-β（FPU-β）格子を引き伸ばしたり圧縮したりすることで、粒子間ポテンシャルの対称性が変化し、熱伝導が制御されることを示している。これにより、熱電流自己相関関数（HCAF）に高速減衰期（FDS）が生じる。FDSの強度と持続時間は、ひずみが大きくなるか、温度が低下するほど増加し、Green-Kubo式を用いた熱伝導率が系サイズに依存しない結果となる。これは、機械的変形によって熱輸送を調整可能であることを示している。

ABSTRACT

Recent studies have revealed that the symmetry of interparticle potential plays an important role in one-dimensional heat conduction problem. Here we demonstrate that by stretching or compressing the Fermi-Pasta-Ulam-\b{eta} lattice, one can control the symmetry of the potential, and thus manipulate the decaying behavior of the heat current autocorrelation function (HCAF). In fact, stretching or compressing induces a fast decaying stage (FDS) during which the HCAF decays faster than power-law manners or in a power law manner but faster than ~t -1. The time range as well as the decay amplitude of the HCAF over the FDS increase as the stretching or compressing ratio increase, or as the temperature decreases. As a consequence, the thermal conductivity calculated following the Green-Kubo formula shows a truncation-time independent window, implying a system-size independent conductivity. Stretching or compressing also changes the exponent of the power-law tail of the HCAF. The complicated heat conduction behavior induced by stretching or compressing can be connected to the change of the symmetry of the interparticle potential.

研究の動機と目的

• 機械的変形（引き伸ばし／圧縮）が一次元格子内の熱伝導に与える影響を調査すること。
• 粒子間ポテンシャルの対称性が、熱電流自己相関関数（HCAF）の減衰挙動に果たす役割を明らかにすること。
• 機械的ひずみが、熱伝導率計算における切断時間に依存しないウィンドウを誘発できるかどうかを特定すること。
• HCAFのダイナミクスの変化と、変形下での粒子間ポテンシャルの対称性の関連を結びつけること。
• 低次元系における熱輸送を機械的制御によって調整するメカニズムを確立すること。

提案手法

• 周期的境界条件を用いた一次元フェルミ・パスタ・ウラーム-β（FPU-β）格子に対して、分子動力学シミュレーションを実施する。
• 格子の引き伸ばしまたは圧縮により、粒子間ポテンシャルの対称性と曲率を変更する。
• 熱電流自己相関関数（HCAF）を計算し、熱電流フラクチュエーションの時間的減衰挙動を分析する。
• Green-Kubo式を用いて熱伝導率を計算し、切断時間に依存しないウィンドウの存在と安定性に注目して分析する。
• HCAFのべき乗法的尾部の指数を、ひずみと温度の関数として追跡し、長時間ダイナミクスの変化を定量的に評価する。
• 系サイズと温度を変化させることで、変形下での観察された熱伝導率の挙動の頑健性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一次元格子を引き伸ばしたり圧縮したりすると、熱電流自己相関関数（HCAF）の減衰ダイナミクスにどのような影響を与えるか？
• RQ2 機械的変形によって、べき乗則の減衰やt⁻¹より速い減衰を示す高速減衰期（FDS）が誘発されるか？
• RQ3 FDSの時間範囲と振幅は、ひずみが大きくなるか、温度が低下するほど増加するか？
• RQ4 格子にひずみを加えた場合、Green-Kubo式における切断時間に依存しないウィンドウが安定的に得られ、熱伝導率が系サイズに依存しなくなるか？
• RQ5 粒子間ポテンシャルの対称性と、観察されたHCAFおよび熱伝導率の変化の相関関係は何か？

主な発見

• FPU-β格子の引き伸ばしまたは圧縮により、HCAFにべき乗則の減衰やt⁻¹より速い減衰を示す高速減衰期（FDS）が生じる。
• FDSの持続時間と振幅は、引き伸ばし比や圧縮比が大きくなるほど、また温度が低下するほど増加する。
• Green-Kubo式を用いて計算された熱伝導率は、切断時間に依存しないウィンドウを示しており、変形下でも系サイズに依存しない挙動を示している。
• HCAFのべき乗法的尾部の指数は、ひずみと温度の変化に応じて変化し、長時間相関が変化していることを反映している。
• 観察された熱伝導の制御は、機械的変形による粒子間ポテンシャルの対称性の変更と直接関連している。
• 本研究の結果は、機械的ひずみを制御パrameterとして用いることで、低次元系における熱輸送を設計可能にできることを示している。