フォノニックナノ構造における弾道的フォノン輸送を用いた導熱と集熱
Heat guiding and focusing using ballistic phonon transport in phononic nanostructures
2017年5月18日 Nature Communications 8 : 15505 doi: 10.1038/ncomms15505
マクロスケールでの古典的な熱拡散とは異なり、ナノスケールでは、フォノンが数百ナノメートルにわたって弾道的に移動できるため、指向性を持った熱伝導が生じうる。弾道的フォノン輸送の証拠は最近実験的に得られているが、個々のフォノンの移動方向がランダムであるため、熱流の方向制御、ひいては実際的な利用は困難である。今回我々は、シリコン薄膜に円孔を規則正しく配列することで、熱流の方向制御を可能にする方法を示す。まず、我々は、配列した円孔によって、フォノンに指向性を持たせることが可能であることを実証した。次に、こうしたナノ構造を指向性のある弾道的フォノン源として用いて、放出されたフォノンをナノワイヤー構造に入力した。最後に、指向性を持たせて放出されたフォノンが、数百ナノメートルのスポットに集中する熱レンズ構造を紹介する。これらの結果は、ナノスケールにおいては、熱輸送も幾何光学と似た概念で議論できることを示しており、刺激を与えるものである。
Corresponding Authors
Unlike classical heat diffusion at macroscale, nanoscale heat conduction can occur without energy dissipation because phonons can ballistically travel in straight lines for hundreds of nanometres. Nevertheless, despite recent experimental evidence of such ballistic phonon transport, control over its directionality, and thus its practical use, remains a challenge, as the directions of individual phonons are chaotic. Here, we show a method to control the directionality of ballistic phonon transport using silicon membranes with arrays of holes. First, we demonstrate that the arrays of holes form fluxes of phonons oriented in the same direction. Next, we use these nanostructures as directional sources of ballistic phonons and couple the emitted phonons into nanowires. Finally, we introduce thermal lens nanostructures, in which the emitted phonons converge at the focal point, thus focusing heat into a spot of a few hundred nanometres. These results motivate the concept of ray-like heat manipulations at the nanoscale.
