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研究背景

隨著微流體技術的迅速發展，特斯拉閥因其在流體流動整流中的獨特優勢而成為了研究熱點。特斯拉閥的設計利用了流體的不對稱性，使得在不同流向上的流動表現出顯著的阻抗差異，從而實現了無活動部件的流體整流。然而，在微固體通道中實現熱聲子的整流卻面臨更大的挑戰，主要由于聲子之間缺乏動量守恒的碰撞以及液態聲子流動的不頻繁現象，這使得熱整流的實現復雜化。

成果簡介

有鑒于此，東京大學Xin Huang，Masahiro Nomura等教授團隊在Nature期刊上發表了題為“A graphite thermal Tesla valve driven by hydrodynamic phonon transport”的最新論文。研究者們提出了通過設計不對稱結構，如特斯拉閥，實現聲子熱導的整流。例如，近期的研究中，科學家們在同位素富集的石墨晶體中設計了微米級的特斯拉閥，并成功地在45 K下觀察到了導熱系數在不同方向上存在15.2%的顯著差異。這一結果為利用聲子集體行為進行微尺度和納米尺度電子設備的熱管理提供了新的思路和方法，推動了固體中熱整流的研究進展。

研究亮點

1. 實驗首次設計并制造了微米級特斯拉閥，采用同位素富集的石墨晶體，研究其在熱傳導中的整流效果。

2. 實驗通過在90納米厚的石墨中實現特斯拉閥的構造，觀察到在45 K溫度下，不同流動方向上的熱導率存在顯著差異，具體為15.2%。這表明聲子流體動力學在固體材料中可以有效實現熱整流，展示了聲子集體行為的潛力。

3. 該研究揭示了聲子在固體材料中流動的復雜性，尤其是在微固體通道中的熱整流機制，指出相較于液態流體，固態聲子流動面臨動量守恒碰撞缺乏和類液體流動稀少的挑戰。

4. 結果表明，通過對石墨材料的深入研究，能夠在微米尺度和納米尺度的電子設備中有效管理熱量，為熱整流的實際應用奠定基礎，推動相關技術的進展。

圖文解讀

圖1: 石墨特斯拉閥和熱特性。

、

圖2: 聲子特斯拉閥的蒙特卡羅模擬。

圖3: 石墨特斯拉閥的熱導率。

圖4: 石墨特斯拉閥中的熱整流。

結論展望

本文的研究為熱流逆轉的實現提供了新的視角，強調了微米級通道設計在集體聲子運動和Poiseuille熱流中的重要性。通過采用直入流和適當長度的彎曲通道，能夠有效增強聲子水動力流動，從而提高熱整流效果。此外，研究表明，連接多個特斯拉閥單元串聯的設計理念，在流體動力學中已被證明有效，也可為提高石墨特斯拉閥的熱整流效果提供可行的途徑。然而，現階段的制造限制使得實際的懸浮石墨結構局限于約100×100μm2的片狀規模，未來的實驗研究應著重探索更寬的通道寬度和延長彎曲通道的出口長度，以進一步提高整流性值。

在樣品制備和表征過程中，采用了多種先進技術，如電子束光刻、氧氣等離子體刻蝕和次級離子質譜等，確保了樣品的單晶特性。這些研究不僅為聲子水動力學在固體熱整流中的應用提供了重要的實驗基礎，也為未來開發更高效的熱管理材料和器件奠定了堅實的理論依據和技術支持。

文獻信息

Huang, X., Anufriev, R., Jalabert, L. et al. A graphite thermal Tesla valve driven by hydrodynamic phonon transport . Nature (2024).

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