フォノンエンジニアリング

ナノ構造・界面における熱輸送の学理を探求する。

熱マネージメント／フォノン輸送／電子／マグノン／ナノ構造／熱伝導計測技術／マルチスケールシミュレーション／第一原理計算

フォノンは原子が集団振動することによってできる波ですが、これが波束（フォノンガス）となって物質中で熱を運びます。フォノンは結晶欠陥や界面構造などのナノ構造によって散乱されるため、ナノ構造を用いることでフォノン輸送を制御することができます。このようなナノ構造を用いたフォノン輸送制御は新しい熱マネージメント技術であり、フォノンエンジニアリングと呼ばれています。当研究室ではナノスケールのフォノン輸送現象を理解するために、第一原理計算や分子動力学などを用いた高精度なマルチスケールシミュレーション技術の開発、様々なナノ構造の作製とレーザーなどを用いた高精度な熱物性計測技術の開発などを通して、フォノンエンジニアリングの学理を探究しています。

ポンププローブ法による熱伝導率計測実験
ナノ構造界面とフォノン輸送の理解
マルチスケール熱伝導計算
超格子断面の透過型電子顕微鏡像

関連する論文

  1. Guantong Wang, Masaki Kudo, Kazuho Daicho, Sivasankaran Harish, Bin Xu, Cheng Shao, Yaerim Lee, Yuxuan Liao, Naoto Matsushima, Takashi Kodama, Fredrik Lundell, L Daniel Söderberg, Tsuguyuki Saito, Junichiro Shiomi, “Enhanced High Thermal Conductivity Cellulose Filaments via Hydrodynamic Focusing”, Nano Letters 22 (21), 8406-8412 (2022).[https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c02057]

  2. Bin Xu, Shiqian Hu, Shih-Wei Hung, Cheng Shao, Harsh Chandra, Fu-Rong Chen, Takashi Kodama, Junichiro Shiomi, “Weaker bonding can give larger thermal conductance at highly mismatched interfaces”, Science Advances 7, eabf8197 (2021). [https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abf8197]

  3. Run Hu, Sotaro Iwamoto, Lei Feng, Shenghong Ju, Shiqian Hu, Masato Ohnishi, Naomi Nagai, Kazuhiko Hirakawa, Junichiro Shiomi, “Machine-learning-optimized aperiodic superlattice minimizes coherent phonon heat conduction” Physical Review X, 10 (2), 021050. [https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.021050]

  4. Masaki Yamawaki, Masato Ohnishi, Shenghong Ju, Junichiro Shiomi, “Multifunctional structural design of graphene thermoelectrics by Bayesian optimization”, Science Advances, 4, eaar4192 (2018). (Open access) [https://doi.org/10.1126/sciadv.aar4192]

  5. Takafumi Oyake, Lei Feng, Takuma Shiga, Masayuki Isogawa, Yoshiaki Nakamura, Junichiro Shiomi, “Ultimate confinement of phonon propagation in silicon nano-crystalline structure”, Physical Review Letters, 120, 045901 (2018). [https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.045901]