[논문 리뷰] Steady state thermal transport in anharmonic systems

Juzar Thingna, J. L. Garc외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 28.

Thermal properties of materials참고 문헌 5인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 비선형 분자 접합에서의 정 steady 상태 열전도에 대한 일반적인 양자 마스터 방정식 기반 이론을 개발하며, 일시적 및 정 steady 상태 모두에서 유효한 전류 연산자를 유도한다. 이는 옆면 비선형성이 저온에서 열전도도를 강하게 억제함을 드러내며, 이는 비선형성 강도가 증가함에 따라 억제가 심화됨을 의미한다. 반면, 비선형성 스프링은 영향을 거의 미치지 못한다. 이중우물 포텐셜에서는 장벽 높이가 모든 온도에서 부정적 미분 열전도도를 유도한다.

ABSTRACT

We develop a general theory for thermal transport in anharmonic systems under the weak system-bath coupling approximation similar to the quantum master equation formalism. A current operator is derived, which is valid not only in the steady state, but in the transient regime as well. Here we focus on the effects of anharmonicity on the steady-state thermal conductance of a mono and diatomic molecular junctions. We also study molecules being confined in a double-well potential. We find that when the molecules have a non-linear on-site potential the low-temperature thermal conductance is dramatically affected by the strength of non-linearity, whereas for the diatomic molecule connected by an anharmonic spring the strength of anharmonicity plays almost no role in the low-temperature regime. In case of the molecules confined in a double-well potential we find that the height of the barrier greatly affects the thermal conductance; once the molecules can feel the effect of the barrier we observe negative differential thermal conductance at both high and low temperatures.

연구 동기 및 목표

• 약한 시스템- bath 결합 조건 하에서 비선형 시스템의 열전도에 대한 일반적인 이론적 프레임워크를 개발하는 것.
• 현위치 포텐셜과 원자 간 스프링의 비선형성이 정 steady 상태 열전도도에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 이중우물 포텐셜 장벽이 열전도 특성 조절에 미치는 역할을 조사하는 것.
• 비선형 접합에서 부정적 미분 열전도도가 나타나는 조건을 규명하는 것.

제안 방법

• 비선형 시스템에서의 약한 시스템- bath 결합을 모델링하기 위해 양자 마스터 방정식 형식을 적응 적용하는 것.
• 일시적 및 정 steady 상태 영역 모두에서 유효한 열전도 분석을 위한 전류 연산자를 유도하는 것.
• 비선형 현위치 또는 비선형 스프링 포텐셜을 가진 단원자 및 이원자 분자 접합에 이 형식을 적용하는 것.
• 장벽 높이의 영향을 분석하기 위해 이중우물 포텐셜에 갇힌 분자를 모델링하는 것.
• 온도, 비선형성 강도, 장벽 높이에 따른 열전도도의 수치적 분석을 수행하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현위치 비선형성은 분자 접합에서 저온에서 열전도도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비선형성 스프링 상수가 저온에서 열전도도에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ3 이중우물 포텐셜의 장벽 높이는 온도 범위 전반에서 열전도도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 비선형 시스템에서 부정적 미분 열전도도가 나타나는 조건은 무엇인가?
• RQ5 유도된 전류 연산자는 열전도 분석에서 정 steady 상태를 초월하여 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 현위치 비선형성이 저온에서 열전도도를 강하게 억제하며, 이 억제 정도는 비선형성 강도가 증가함에 따라 커진다.
• 이원자 접합에서 비선형성 스프링은 저온에서 열전도도에 거의 영향을 미치지 않는다.
• 이중우물 포텐셜에서는 장벽 유도 효과의 발생이 저온 및 고온 모두에서 부정적 미분 열전도도를 유도한다.
• 부정적 미분 열전도도의 크기는 장벽 높이에 따라 달라지며, 시스템이 장벽에 민감해질수록 더 강한 영향을 받는다.
• 유도된 전류 연산자는 일시적 및 정 steady 상태 영역 모두에서 일관된 열전류 평가를 가능하게 한다.
• 비선형 시스템에서의 열전도도는 특히 저온에서 조화 예측과 크게 다름을 보인다.