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

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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。