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。

进行这项研究的目的是基于低温环境中使用硅语音晶体纳米结构来基于声子的振动特性实现热导率，并系统地澄清其物理学。很长一段时间以来，基于声子波的控制热导率一直是一个想法，但是在有限的温度下，声子的相很容易被不连贯的散射破坏，从而难以实现。因此，在这项研究中，我们准备通过使用液体He在4K上进行实验，并使用稀释的冰箱在极低的温度下在4K上进行实验来控制热传导。在4 K处，通过在硅薄膜上形成语音晶体纳米结构，控制了负责热传输的声子的分散关系，并根据需要进行观察。这是第一个证明可以通过系统地控制音调晶体的短距离顺序来改变热导率的实验，并且是固态物理学的一个里程碑。稀释的冰箱目前正在建设中，样品结构的设计已完成。将来，我们将继续进行极低的低温实验。此外，通过蒙特卡洛模拟计算了声子晶体结构中热声子的传输特性。结果，已经发现对齐的纳米结构可以为具有固有扩散特性的热流提供方向性。此外，还已经证明可以在世界上首次在固体中收集热量。这个结果是另一个里程碑成就，已决定在《自然传播》杂志上发表。