声子学热输运中的对称性研究

Phononic heat transport is one of the most important concepts in non-equilibrium statistical physics. In phononics, people try to precisely manipulate phonons and effectively utilize heat, of which the complexity and difficulty are mainly reflected in the lack of clear understanding of the fundamental physics of phononic heat transport at the micro-nano-scale, especially the lack of systematic study of the symmetry of microscopic mechanism. In this project, we will systematically study the symmetry effects of various microstructures and dynamics in phononics, including: spatial symmetry under time-reversal symmetry breaking, parity-time symmetry, Gallavotti-Cohen symmetry in full counting statistics, and duality and super-symmetry, etc.; By using lattice dynamics, non-equilibrium Green's functions, quantum master equations, and their full counting statistics, we are going to clarify the impact of symmetry on the phononic dispersion and heat transport properties, and to predict new observable effects; By exploring the close relationship between symmetry and geometry, topology, we will uncover the structural and dynamical symmetry effects on new properties such as geometric phase and topological characteristics of phonon and heat transport; Then, we will study the impacts of disorder and non-linearity on phononic heat transport with different symmetry effects. This project not only has important scientific significance, but also provides guidance for designing new phononic thermal devices as well as exploring their new applications.

声子热传导是非平衡态统计物理里非常重要的概念。声子学，研究的就是对声子和热进行精准操控和有效利用。其中的复杂性和困难性，主要体现在人们对微纳尺度下声子热输运的基本物理机制缺乏明晰的了解，特别是缺乏对微观机制的对称性的系统研究。在本项目中，我们将系统地研究声子学中各类微观结构和动力学的对称性，包括：时间反演对称破缺下的空间对称，宇称-时间对称，全计数统计的Gallavotti-Cohen对称，对偶和超对称等等；利用晶格动力学，非平衡格林函数，量子主方程等方法，以及他们的全计数统计，阐明这些对称性对声子色散和热输运性质的影响，并预测新的可观测效应；通过探索对称性与几何拓扑的紧密联系，揭示微观结构和动力学的对称性对声子热输运的几何相位和拓扑特性等新性质的调控；研究无序和非线性下，声子热输运中不同对称性的影响。该项目不仅有重要的科学意义，对于理论设计声子热的新器件，探索新应用，也有广泛的指导意义。

本项目“声子学热输运中的对称性研究 （11775159）” 从两个大方面进行研究: 一、声子学热输运中的基本物理机制研究以及其带来的新物理和新性质；二、声子热功能器件的相关理论、计算与设计。这些研究利用晶格动力学，非平衡格林函数，量子主方程等方法，以及他们的全计数统计，阐明对称性对声子色散和热输运性质的影响，发现其内在物理机制，并预测新的可观测效应；研究还利用第一性原理计算和机器学习等方法来计算和设计声子热功能器件。通过四年的研究，我们在这两个方面均取得了一定的成果，在物理学重要期刊发表论文47篇（主要包括PRL 2篇，NSR 2篇，PNAS 1篇，Nat. Commun. 2篇，Mater. Today Phys. 1篇，PRB 10篇，PRE 2篇，PRA 1篇，PRApplied 3篇，ACS photonics 1篇，ACS Appl. Mater. Interfaces 2篇，APL 1篇，JASA 1篇，Nanoscale 1篇，Advanced photonics 1篇，PRResearch 1篇，Opt. Express 1篇，等等）。其主要的原创性贡献如下：（1）利用量子主方程、非平衡态格林函数、全计数统计等方法研究了各种量子体系中的非平衡热输运现象，如量子热放大，热整流，负微分热导等，并探究其对应的机理，为未来新型量子热器件的设计提供了理论上的指导。（2）从SO(3)对称，几何相揭示了弹性波声子的自旋角动量和自旋动量耦合等拓扑特性，并将其推广到了声子之外的体系，比如光学系统。（3）研究了声子体系中对称性对系统拓扑性质的影响，并结合了机器学习来研究拓扑声子体系的分类聚类和反向设计。（4）研究了无序声子系统中存在反常的透明声子传输通道，并将机器学习等手段与物理探究进行了结合，进行了相关的声子热器件探索设计。

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