01 背景介绍
20世纪中叶，玻恩和黄昆合著的《晶格动力学》，以格波量子（声子）的形式系统地对宏观体块晶体结构中的热能输运进行解释，为其提供理论基础。在宏观体块材料中，声子之间相互作用比较强、散射比较充分。与之形成鲜明对比的是低维纳米体系中，出现的声子弱耦合现象（即纳米体系中声子间相互作用大幅弱于宏观体系的现象）。这方面的输运研究十分匮乏、迫切需要新理论和新方法。
目前弱耦合主要存在于低维纳米体系和范德华堆叠界面等情况中。弱耦合现象对于声子输运的影响是多方面的：一方面弱耦合会减少体系内的声子散射，从而利于增强热传导、获得较高的本征热导率；另一方面弱耦合也是阻碍纳米堆叠界面热传导的重要因素之一。目前在研究中发现的许多新现象、新机制都与声子弱耦合相关联，比如热导率尺寸效应，声子双温度现象，梯度热导率现象和双通道热输运现象等。
图1 声子弱耦合与多个低维纳米尺度导热的新物理现象紧密相关
02 成果掠影
低维纳米体系的热导率会呈现出尺寸效应，即热导率的数值随体系尺寸的变化而变化。这种非傅里叶现象和体系中的声子弱耦合息息相关。由于低维体系在不同维度方向上具有明显的各向异性、模式与模式间的差异非常大，对比三维宏观体系，低维纳米体系中的声子耦合会受到抑制导致某些声子分支呈现出弱耦合的状态，具有更长的平均自由程，从而更容易受到体系尺寸的影响，产生尺寸效应。这种随尺寸变化的热导率与经典的傅里叶定律描述的热导率相违背，因此弱耦合机制在这种情形下是不可忽视的重要因素。
单一纳米体系内部的声子弱耦合还会带来其他新颖的现象，例如声子多温度现象和梯度热导率。以石墨烯为例，An等人提出用双温度模型来处理不同声子群之间的弱耦合，在双温度模型中弱耦合的两个体系可以拥有不同的“温度”，这一点也在数值模拟中得到了验证。近年来，在纳米石墨烯圆盘以及碳纳米锥等结构中，还发现了“热点”的梯度热导率现象。“热点”周围的梯度热导率与声子弱耦合存在密切关系，当体系内声子间的耦合作用增强时，梯度热导率现象逐渐减弱直至消失。同时由于体系内不同声子分支之间的散射强度不同，会出现不同声子分支之间的弱耦合，导致部分声子的散射率明显降低，这极大地有利于热输运的增强。
声子弱耦合现象还会发生在两个或多个纳米体系之间，例如范德华堆叠界面（vdw cross-interfaces）、一维纳米套管等。体系间一般通过较弱的力场（例如范德华力等）相互作用，因此体系间声子的耦合要远弱于体系内的声子耦合，声子的弱耦合在这些体系中也扮演了重要角色。Feng等人通过基于弱耦合的方式对界面热传导建立了有效模型，展示了弱耦合在界面热传导中的影响，也通过该模型解释了实验测量CuPc堆叠界面的高热阻。此后Deng等人提出了对于范德华堆叠界面的完整弱耦合数学模型。折叠二维材料（如折叠石墨烯），多层二维材料等由于内部存在诸多范德华堆叠界面，也会受弱耦合现象的影响。而一维纳米套管的不同直径纳米管之间由于范德华力的相互作用，也会产生声子弱耦合。在对一维纳米套管的研究中发现套管间相互作用的强弱会对声子的输运造成明显影响，当套管间相互作用强度远超范德华力时，声子间的弱耦合变为更强的耦合作用，热导率明显下降，说明声子输运受到阻碍。这也验证了声子弱耦合对于声子输运的重要影响。
03 总结展望
声子弱耦合作为微纳体系中观测到的新物理现象，在基础研究和电子、光电、热电等工业应用领域都展示出不可忽视的作用和研究价值。一方面，对弱耦合现象进行深入研究有利于对低维纳米体系的进一步理解和探索。另一方面，体系间的弱耦合也会为声子输运带来影响或提供调控。
目前从声子弱耦合角度开展的研究工作偏少，相应的探索还处于在初步阶段。希望通过本文的探讨，引起更多学者的兴趣和关注。
论文信息
Pan Dong-Kai, Zong Zhi-Cheng, Yang Nuo. Phonon weak couplings in nanoscale thermophysics. Acta Phys. Sin., 2022, 71(8): 086302.
潘东楷，宗志成，杨诺，“纳米尺度热物理中的声子弱耦合问题”，《物理学报》2022, 71(8): 086302.
https://doi.org/10.7498/aps.71.20220036
