通过玻尔兹曼方程的低秩解高效计算声子动力学
材料科学
2025-02-04 v1
摘要
奇异的非扩散传热机制，如第二声，即热量以与机械扰动相当的速度以阻尼波形式传播，通常发生在半导体的低温（T）和纳秒时间尺度下。对此类快速、低温声子动力学进行第一性原理预测，需要对由控制性的线性化派尔斯-玻尔兹曼方程（LPBE）产生的大型、稠密且耦合的线性声子动力学系统进行精细的时间跟踪。在此，我们揭示了这些线性动力学系统的一种严格低秩表示，该表示源于声子碰撞矩阵的谱性质，能够在不影响计算精度的情况下，将声子动力学的第一性原理预测速度提升超过一百万倍。通过采用 LPBE 的这种低秩表示，我们预测了金刚石中同位素富集时波状第二声机制的强烈放大——这一发现若使用传统的暴力计算方法在计算上是难以处理的。我们的框架能够快速、准确地发现常见半导体中实现波状热流所需的条件。
引用
@article{arxiv.2502.00337,
title = {Efficient calculation of phonon dynamics through a low-rank solution of the Boltzmann equation},
author = {Nikhil Malviya and Navaneetha K. Ravichandran},
journal= {arXiv preprint arXiv:2502.00337},
year = {2025}
}