四川
近日，昆明理工大学计算物理及其应用团队在Physics of Fluids以Letter形式发表题为“Heat shuttling in one-dimensional gas models”的最新研究成果。博士生王栓（导师为曾春华教授）为论文第一作者，曾春华教授为通讯作者。该研究通过一维双组分原子气体模型证明了流体热梭的存在，并且与晶格热梭相比，其表现出显著差异。
研究背景：
在纳米尺度上操纵热流是声子学的一个基本问题，对称性破缺是产生定向热流的必要条件。实现对称性破缺的最直接方法是将系统连接到有温差的热库。然而，在纳米尺度保持固定温差极具挑战性。因此，另一种方法是通过随时间周期性地改变热库的温度来产生动态对称性破缺。比如在一维系统中，将左右的温度分别设置为：
在这种情况下，尽管整个系统的平均温差为零，但仍然存在显著的净热流，这种现象称为热梭。在声子介导传输机制框架内的经典和量子晶格系统中的热梭已被广泛研究，但是流体系统中热梭的存在和性质仍然是公开的问题。
一维双组分原子气体模型于1986年由著名的理论物理学家Casati提出，是一个高度简化的流体模型，但是其具有丰富的统计力学、动力学和热力学性质，并且它的数值模拟精准又高效。由于这些优势，这个模型已经取得了许多突破性的进展，包括证明一维系统中自组织和非平衡相变的存在。因此，一维气体模型可能是研究流体系统中热梭的理想探针。
研究内容：
在该研究中，作者首先通过解析求解单粒子系统的热流值：
以及相应的数值结果（如图1所示），证明了在高频极限下，即式中概率p = 0.5时，热梭不存在于单粒子气体系统中，进而可以推断出在相互作用参数h = 0的多粒子系统中，热梭也不存在。单粒子系统在有限的驱动频率下，表现出热流极值或任何非零热流归因于粒子对于某一温度的偏好选择，即式中概率p ≠ 0.5。该研究通过近似处理，对这些极值进行了理论分析，其结果与数值结果较为一致。在具有两种不同质量的多粒子系统中，当 h ≠ 0时，热梭出现在高频极限（如图2所示）。值得注意的是，在晶格系统中热梭总是消失在高频极限。该研究发现不同质量的粒子之间的弹性碰撞构成了在高频极限中出现热梭的必要条件。另外，适当的质量差或可以增强高频极限下的热梭；当h = ∞ 时，不同的初始交替质量构型也会影响高频极限下的热梭（如图3、4所示）。这些结果为控制流体系统中热信息的传递提供了一个新的方向。
图1. 不同频率下2种质量的单粒子系统对应的热流。
图2. 不同频率下3种相互作用参数 （其中h = ∞， 考虑了2种相反的初始交替质量构型）的多粒子系统对应的热流。
图3. 不同质量u2下2种相反的初始交替质量构型的多粒子系统对应的热流，其中h = ∞ ，ω = ∞ 。
图4. 不同相互作用参数h 下2种相反的初始交替质量构型的多粒子系统对应的热流，其中ω = ∞ 。
详细内容见文章链接：
https://doi.org/10.1063/5.0267414
Shuan Wang (王栓), Chunhua Zeng (曾春华), and Bao-quan Ai (艾保全), Heat shuttling in one-dimensional gas models, Phys. Fluids 37 (4): 041708 (2025).
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