Origin of superdiffusive thermal transport in one-dimensional van der Waals atomic chains

范德瓦尔斯力 物理 热的 范德瓦尔斯株 范德瓦尔斯半径 范德瓦尔斯曲面 凝聚态物理 统计物理学 材料科学 量子力学 热力学 分子
作者
Xueliang Sun,Shuang Lu,Shuyue Shan,Zhongwei Zhang,Jie Chen
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:111 (20) 被引量:3
标识
DOI:10.1103/physrevb.111.205404
摘要

As a unique transport regime at the nanoscale, superdiffusive thermal transport has demonstrated its significance in nanophysics and potential applications in nanoscale thermal management. However, notable controversies between theoretical and experimental works persist regarding its origin in one-dimensional (1D) systems. Here we investigate the superdiffusive thermal transport behavior in 1D van der Waals $\mathrm{NbS}{\mathrm{e}}_{3}$ nanowires using molecular dynamics and lattice dynamics simulations combined with a machine learning potential. As a signature of superdiffusive thermal transport, a power-law length-dependent thermal conductivity $\ensuremath{\kappa}\ensuremath{\propto}{L}^{\ensuremath{\beta}}$ is uncovered at small diameters. The effects of phonon confinement and elastic stiffening on superdiffusive thermal transport are elucidated. We demonstrate that the stiffening of the elastic constant only appears along the nanowires, affecting a subset of phonon modes with minimal impact on thermal transport. The low-frequency phonons, which significantly contribute to thermal transport, are predominantly affected by phonon confinement. Our theoretical analysis reveals that phonon confinement enhances the momentum-conserving scattering events, inducing phonon hydrodynamics and enabling the observed superdiffusive thermal transport. Our results provide valuable insights into nanoscale thermal transport, which are crucial for phonon transport and thermal management at the nanoscale.
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