image: (a) 具有各向同性扩散的均匀结构。(b) 在特定时刻的温度分布。(c) 和 (d) 绝热-导热-绝热结构，黄色区域（高热导率）为各向异性扩散，绿色区域（热导率）为各向同性扩散。(e) 和 (f) 向中心不对称扩散的梯度结构。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
黄吉平课题组（复旦大学物理学系）和仇成伟课题组（新加坡国立大学电子与计算机工程系）合作完成了这项研究。他们发现了一种无需动态调制即可产生不对称温度分布的新机制。具体而言，梯度热导率可以在纯传导且无源的情况下产生模拟平流，这与真实平流具有相似的温度场效应。通过模拟平流，热可以像黑洞一样自发地汇聚到中心。
研究小组通过实验展示了由梯度热导率引起的模拟平流，梯度热导率对应于光学中产生等效动量的梯度折射率。因此，尽管系统没有动态调制，但仍然可以在相反的方向观察到不对称的温度分布。此外，实验中自然对流和热辐射造成的能量损失可能会促成相反方向的不对称热流。
研究人员进一步设计了模拟平流指向中心，所以周围的热点会像黑洞一样被捕获到中心。共形变换理论可以解释梯度参数和曲线空间之间的关联。受旋转黑洞的启发，他们还对梯度参数进行了旋转变换，以演示旋转热捕获。
模拟和实验都验证了他们的设计。具体来说，他们制备了两个样品来展示普通和旋转热捕获。三种常见材料（即：铜、铁、钢）可以增加热导率梯度。将这两个样品放入作为冷源的冰水浴中进行测量。热风枪产生热点，可以输出恒定的初始温度。然后，研究者观察到了两种类型的热捕获。
热平流对于非厄米和非互易物理至关重要。由于模拟平流具有与真实平流几乎相同的温度场效应，因此有望通过梯度热传导超构器件揭示非厄米和非互易现象。此外，由于模拟平流可以产生不对称热扩散，梯度热传导超构器件可用于实现废热回收和热漏斗。一个显著的优势是零能耗，因为模拟平流不需要外部驱动。这些结果还可以启发将扩散系统（例如：热学、粒子动力学）、波动系统（例如：光学、声学）、宇宙系统（例如：黑洞、虫洞）联系起来。
研究详情请见原文：
Blackhole-Inspired Thermal Trapping with Graded Heat-Conduction Metadevices
https://doi.org/10.1093/nsr/nwac159
Journal
National Science Review