極低温におけるシリコンフォノニック結晶中の熱伝導に関する研究

硅声子晶体极低温热传导研究

基本信息

批准号：
15F15728
负责人：
野村政宏
金额：
$ 1.47万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2015
资助国家：
日本
起止时间：
2015-04-24 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、低温環境においてシリコンフォノニック結晶ナノ構造を用いたフォノンの波動性に基づく熱伝導を実現し、その物理を体系的に明らかにすることを目的として実施した。フォノンの波動性に基づいた熱伝導の制御はアイデアとして長く存在していたが、有限温度ではフォノンのインコヒーレント散乱によっての位相は容易に破壊され、実現が困難であった。そこで、本研究では、液体Heを用いた4 Kにおける実験と希釈冷凍機を用いた極低温での実験を行うことで、フォノンの波動性に基づいた熱伝導制御を行う準備を進めた。4 Kにおいては、シリコン薄膜にフォノニック結晶ナノ構造を形成することで、熱輸送を担うフォノンの分散関係を制御し、目的通り観測することができた。これは、フォノニック結晶の短距離秩序を系統的に制御することで、熱伝導率を変化させることが可能なことを示した初めての実験であり、固体物理学においてマイルストーン的成果となる。希釈冷凍機は、現在立ち上げ作業を継続中であり、試料構造の設計は完了している状況である。今後、極低温実験を進めてゆく。また、モンテカルロシミュレーションによってフォノニック結晶ナノ構造中の熱フォノンの輸送特性を計算した。その結果、整列したナノ構造によって、本来拡散する性質を有する熱流に指向性を与えることが可能なことを見出した。さらに、世界で初めて固体中で集熱が可能なことも実証した。この成果もマイルストーン的成果であり、Nature Communication誌に掲載が決定した。

本研究的目的是利用硅声子晶体纳米结构在低温环境下实现基于声子波动性质的热传导，并系统地阐明其物理原理。基于声子的波动性来控制热传导的想法早已存在，但在有限温度下，声子的非相干散射很容易破坏相，使其难以实现。因此，在本研究中，我们准备通过使用液氦在4 K下进行实验以及使用稀释制冷机在极低温下进行实验来根据声子的波动性质来控制热传导。在 4 K 下，通过在硅薄膜中形成声子晶体纳米结构，我们能够控制负责热传输的声子的色散，并实现所需的观察。这是第一个表明可以通过系统地控制声子晶体中的短程有序来改变热导率的实验，是固态物理学的里程碑式成就。目前稀释制冷机正在进行开机工作，样品结构设计已完成。未来，我们将继续进行低温实验。此外，我们使用蒙特卡罗模拟计算了声子晶体纳米结构中热声子的输运特性。结果，他们发现对齐的纳米结构可以为热流提供方向性，而热流本质上是扩散的。此外，世界上首次证明可以以固态收集热量。这一成果也是一个里程碑式的成果，已决定发表在《Nature Communications》杂志上。