論文の概要: Nonlinear Coherent Transport in 2D Thermal Metamaterials: From Solitons and Topological Defects to Quantum Computing

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.08162v1
• Date: Mon, 04 May 2026 12:56:54 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-05-12 23:28:49.41246
• Title: Nonlinear Coherent Transport in 2D Thermal Metamaterials: From Solitons and Topological Defects to Quantum Computing
• Title（参考訳）: 2次元熱メタマテリアルにおける非線形コヒーレント輸送-ソリトンとトポロジカル欠陥から量子コンピューティングへ
• Authors: R. A. C. Correa, K. N. M. Sharma, P. Lolur, J. van Velzen,
• Abstract要約: 我々は2次元熱メタマテリアルの統一的理論フレームワークを開発する。 我々は、コヒーレント非線形励起と非コヒーレント流体力学モードが共存する2チャネル輸送機構を同定する。 この合成は、エンジニアリングされた熱拡散アーキテクチャの設計のための実用的なガイダンスを提供する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Understanding heat transport in low-dimensional and nano-architectured materials remains a central challenge in nonequilibrium statistical physics due to persistent deviations from Fourier's law. These deviations are driven by anharmonicity, reduced dimensionality, and the emergence of long-lived coherent excitations. In this work, we develop a unified theoretical framework for two-dimensional thermal metamaterials that combines nonlinear lattice dynamics, soliton-based effective field theories, and geometrically organized defect networks as guiding structures for energy flow. We introduce minimal discrete and continuum-inspired models suitable for controlled benchmarking of thermal transport in patterned two-dimensional architectures and identify a two-channel transport mechanism in which coherent nonlinear excitations coexist with incoherent hydrodynamic modes. The interplay between these channels is shown to be highly sensitive to geometry, nonlinearity, and temperature, offering new avenues for thermal management. We establish rigorous connections between microscopic nonlinearity, geometry-driven channeling of heat in two dimensions, and quantum-enabled exploration of both high-occupation classical regimes and genuinely quantum regimes beyond the reach of standard simulation strategies. The theoretical predictions are corroborated by recent experimental and computational results in Stone-Wales-defected PdSSe monolayers and silicon phononic crystal nanostructures, which exhibit ultra-low thermal conductivity coexisting with high carrier mobility and strong anisotropy -- direct manifestations of the two-channel mechanism. This synthesis provides actionable guidance for the design of engineered heat-spreading architectures and positions quantum simulation as a transformative tool for advancing the theory of nonlinear heat transport.
• Abstract（参考訳）: 低次元およびナノ構造材料における熱輸送の理解は、フーリエの法則からの絶え間ない偏差のため、非平衡統計物理学における中心的な課題である。 これらの偏差は、非調和性、次元性の減少、長寿命コヒーレント励起の出現によって引き起こされる。 本研究では, 非線形格子力学, ソリトンに基づく実効磁場理論, およびエネルギーフローの誘導構造として幾何学的に構成された欠陥ネットワークを組み合わせた2次元熱メタマテリアルの統一的理論フレームワークを開発する。 パターン化された2次元アーキテクチャにおける熱輸送の制御ベンチマークに適した最小離散モデルと連続モデルを導入し、コヒーレントな非線形励起と非コヒーレントな流体力学モードが共存する2チャネル輸送機構を同定する。 これらのチャネル間の相互作用は、幾何学、非線形性、温度に非常に敏感であることが示され、熱管理のための新しい道を提供する。 光学非線形性, 2次元の熱の幾何駆動チャネル化, 高占有の古典的状態と真に量子的状態の両方の量子可能な探索の間に, 標準的なシミュレーション戦略の範囲を超えて厳密な接続を確立する。 この理論予測は、ストーン・ウェイルで欠陥したPdSSe単層およびシリコンフォノン結晶ナノ構造における最近の実験および計算結果によって裏付けられ、これは、高いキャリア移動度と強い異方性(英語版)と共存する超低熱伝導度を示す。 この合成は、工学的な熱拡散アーキテクチャの設計のための実用的なガイダンスを提供し、非線形熱輸送の理論を前進させるための変換ツールとして量子シミュレーションを配置する。

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