一维FPU晶格系统中非线性波包的平衡耗散

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近年来,实验技术的发展和完善使测量低维材料的能量输运行为成为可能,从而发现了许多反常的热传导现象。如,低维系统的热导率随系统尺寸的增大而增大;在一些非均匀的系统中则出现不对称的热传导现象等。尽管这些反常现象在定性的层次上与传统理论预言符合,但其微观动力学机制仍不清楚,因此成为当前非平衡态统计物理的研究热点之一。在探索反常热传导的微观动力学机制的理论研究过程中,研究者发现一维Fermi-Pasta-Ulam(FPU)晶格系统是一个合适而有用的理论模型,并对其进行了广泛而深入的讨论。现有研究结果显示,FPU晶格系统中不但能够激发出线性波(声子),而且能够激发出非线性波(孤子和呼吸子)。随着研究的深入,有一些学者认为这些非线性波在反常热传导中起了至关重要的作用,而另一些学者则认为关于非线性波的动力学研究成果主要是在绝对零度下得到的,并没有直接证据表明有限温度下系统中仍然存在非线性波,从而对非线性波是否参与系统能量输运,或其参与程度提出了质疑。本文采用数值模拟的方法在有限温度下研究了一维FPU-αβ晶格系统中非线性波包的衰减规律。我们计算结果显示,非线性波包在热环境中传输时其能量随时间幂律衰减。这表明,在有限温度下系统中可能存在长寿命的非线性波包,从而对系统能量输运产生影响。同时,我们还详细计算了激发强度、系统温度以及微观粒子间相互作用的对称性等因素对非线性波包衰减的特征时间的影响。结果发现:1)特征时间随激发强度按指数规律变化,激发强度越高非线性波包的寿命越长;2)特征时间随温度按幂律变化,温度越低非线性波包的寿命越长;3)特征时间随非对称参数的增大而指数增大,即微观粒子间相互作用的对称性越高非线性波包的寿命就越长。上述计算结果对理解在低维系统中发现的反常热传导的微观动力学机制将具有启发意义。
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