2024-01-21 16:00
近日，昆明理工大学与南方科技大学的研究团队在美国物理期刊Physical Review Research发表了题为“Controlling heat ratchet and flow reversal with simple networks”最新研究成果。昆明理工大学博士生王栓（导师为曾春华教授）为论文第一作者，曾春华教授、王华教授为通讯作者，南方科技大学朱桂妹研究助理教授为通讯作者。李保文教授参与指导。
使用FPU-β晶格研究自耦合原子链热传导现象，自耦合原子链中的两个界面粒子形成结（Junction），左边连接周期调控热库T_L (t)=T_0 (1+Acos(ωt))，A和ω分别是周期调控驱动的振幅和频率，右边连接的热库T_R (t)=T_0是恒定系统温度。热流的正向由绿色箭头指示，如图1所示。由此热库驱动的系统展现零平均热偏，即， 。
自耦合原子链中的两个界面粒子形成结（Junction），k为耦合强度。因此该系统包括总热流J_T ，自耦环路中热流J_L，以及通过界面的热流J_int。在图2（a）中，在较低的频率下，会产生棘轮热流。而当ω的值超过某个临界阈值，无论有无耦合，热流J都趋近于零，棘轮热流消失。从图2（b）中可以看出，当A→0时，有或无耦合热流都趋近于零。随着A值的增加，热流的方向保持不变，但其大小随着A的增加而增加。简而言之，棘轮热流的产生需要足够小的驱动频率和不为零的驱动振幅。
如图3所示，随耦合强度k的增加，总热流J_T经历了从负值到正值的变化，即棘轮热流发生反转。特别有趣是，当k=0.17时J_T=0，棘轮热流仅存在于自耦合回路中，即涡旋棘轮热流产生，这种现象或许能够理解纳米器件中摩尔定律的热效应。随着耦合强度k继续增大，总热流J_T达到饱和。对于耦合强度：
（ii）当耦合强度k=0.6时，结果表明J_T和J_L的大小相等，但方向相反，因此J_int是J_T或−J_L的两倍；
（iii）当耦合强度较大时（k=2.8），J_L=0，J_T=J_int。总之，耦合强度k作为开关，它不仅调控总热流J_T的大小，自耦环路热流J_L和通过界面的热流J_int，而且还控制J_T的方向。
我们前期的工作揭示了复杂网络中热传导及热虹吸效应等 [1-4]。而本工作基于周期调控热库驱动自耦合网络研究热流棘轮和热传导。自耦合现象普遍存在于聚合物链和生物网络中，可应用于实际情况 [5]。本文研究的均质结构网络，在自耦合发生时，耦合界面被引入到原子链网络中，并且适当的耦合强度可以产生涡旋棘轮热流。迄今，控制热流主要取决于控制温度梯度，系统通过异质结构产生不同的热导率或整流等。此外，均质结构与异构结构相比更容易制备、更可操控和可重复使用。因此，在均质结构网络中，通过耦合强度来控制热流和传递热量更可行。涡旋棘轮热流和流反转或许能够理解纳米器件中摩尔定律的热效应及在纳米网络实验中实现。通常指金属合成不平衡力矩安全销透视投影生产阻力弹簧外置式机械密封函数发生器齿轮