通过多尺度格式求解声子玻尔兹曼方程直接模拟石墨烯中的第二声

由于缺乏对声子玻尔兹曼方程在此刚性流体力学区求解的方法，石墨材料第二声动力学的直接模拟仍是一项挑战。本工作中，我们旨在通过发展一种用于 Callaway 双松弛模型下瞬态声子玻尔兹曼方程的多尺度数值格式来应对该挑战，该模型能很好捕捉声子的集体动力学。相比传统数值方法，本多尺度格式在所有输运机制中均高效、准确且稳定，这归因于避免了使用小于声子弛豫时间与平均自由程的时间和空间步长。借助该多尺度格式，我们研究了两种经典实验探测范式下石墨烯条带中弹道脉冲与第二声的形成、传播与构成。第二声被表明主要由 ZA 声子模贡献，而弹道脉冲主要由 LA 与 TA 声子模贡献。我们还探讨了温度、同位素丰度与条带尺寸对第二声传播的影响。发现在观测窗口内第二声速度至多比流体力学极限下的理论值小 20%，这源于有限的 umklapp、同位素与边界电阻散射。本研究不仅有助于声子玻尔兹曼方程的求解方法，也将以对未来实验探测的指导形式贡献于瞬态流体力学声子输运的物理研究。