[论文解读] 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 3

一句话总结

本论文表明，拉伸或压缩一维Fermi-Pasta-Ulam-β（FPU-β）晶格可通过改变粒子间势能的对称性来调控热传导，导致热流自相关函数（HCAF）出现快速衰减阶段（FDS）。FDS的强度和持续时间随应变增大或温度降低而增强，通过Green-Kubo公式计算得到的热导率呈现与系统尺寸无关的特性，表明可通过机械形变实现热输运的可调谐控制。

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.

研究动机与目标

• 研究机械形变（拉伸/压缩）对一维晶格中热传导的影响。
• 探讨粒子间势能对称性在决定热流自相关函数（HCAF）衰减行为中的作用。
• 确定机械应变是否能诱导热导率计算中的截断时间无关窗口。
• 将HCAF动力学的变化与形变下粒子间势能的对称性联系起来。
• 建立通过机械控制调节低维系统中热输运的机制。

提出的方法

• 本研究采用分子动力学模拟方法，对具有周期性边界条件的一维Fermi-Pasta-Ulam-β（FPU-β）晶格进行模拟。
• 通过拉伸或压缩晶格改变粒子间势能的对称性与曲率。
• 计算热流自相关函数（HCAF）以分析热流涨落的时间衰减行为。
• 利用Green-Kubo公式计算热导率，重点分析截断时间无关窗口的存在性与稳定性。
• 追踪HCAF幂律尾部的指数随应变和温度的变化，以量化长时间动力学的改变。
• 改变系统尺寸与温度，评估形变下观察到的热导率行为的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 拉伸或压缩一维晶格如何影响热流自相关函数（HCAF）的衰减动力学？
• RQ2 机械形变是否能在HCAF中诱导出快于幂律衰减或快于t⁻¹的快速衰减阶段（FDS）？
• RQ3 FDS的时间范围与振幅是否随应变增大或温度降低而增加？
• RQ4 当晶格被拉伸时，热导率是否仍保持与系统尺寸无关，如Green-Kubo公式中截断时间无关窗口的稳定性所指示的那样？
• RQ5 粒子间势能的对称性与观察到的HCAF及热导率变化之间是否存在相关性？

主要发现

• 拉伸或压缩FPU-β晶格会在HCAF中诱导出快速衰减阶段（FDS），其衰减速度超过幂律衰减或快于t⁻¹。
• FDS的持续时间与振幅随拉伸或压缩比的增加以及温度的降低而增强。
• 通过Green-Kubo公式计算的热导率表现出截断时间无关窗口，表明在形变下具有与系统尺寸无关的行为。
• HCAF幂律尾部的指数随应变和温度的变化而改变，反映出长时间相关性的改变。
• 观察到的热传导调制直接与机械形变下粒子间势能对称性的改变相关。
• 结果表明，机械应变可作为调控低维系统中热输运的控制参数。