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扩散趋肤效应和拓扑热漏斗

扩散趋肤效应和拓扑热漏斗 两江科技评论
2021-10-30
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导读:近日,华中科技大学祝雪丰教授课题组和浙江大学李鹰研究员课题组合作提出一种温度场非对称耦合的一维热学SSH模型,可使任意初态输入的温度场最终聚集于结构表面,形成扩散趋肤效应(Diffusive skin



论文信息:

Pei-Chao Cao, Ying Li, Yu-Gui Peng, Minghong Qi, Wen-Xi Huang, Peng-Qi Li and  Xue-Feng Zhu, Diffusive skin effect and topological heat funneling, Communications Physics 4, 230 (2021). 

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s42005-021-00731-z


导读



由于热传导的扩散特性,在热学系统中构建非厄米体系相对于波动系统更加直接便捷,但这种扩散特性同时为宏观尺度热拓扑研究带来显而易见的挑战。近日,华中科技大学祝雪丰教授课题组和浙江大学李鹰研究员课题组合作提出一种温度场非对称耦合的一维热学SSH模型,可使任意初态输入的温度场最终聚集于结构表面,形成扩散趋肤效应(Diffusive skin effect)。在此基础上,通过将SSH直链结构镜像拼接,即可构建出拓扑热漏斗(Topological heat funnel)。这种拓扑热漏斗效应对温度场输入初态和结构参数缺陷,都显示出较强鲁棒性。该研究成果以“Diffusive skin effect and topological heat funneling”为题发表在《Communications Physics》杂志上。华中科技大学祝雪丰教授课题组博士生曹培超和浙江大学李鹰研究员为共同第一作者,祝雪丰教授和李鹰研究员为共同通讯作者。


研究背景和创新



非对称耦合诱导的非厄米趋肤效应由于可打破传统体边对应关系,最近得到物理学界广泛研究,并发展出相应的非布洛赫模式理论。在光学中,非对称耦合可通过振幅调制器和相位调制器实现;在电学中,非对称耦合可通过电流逆变器实现。但在热学中,通过动态调制来实现精确的非对称耦合目前较为困难。本文从哈密顿量出发,提出一种基于密度调制的静态温度场非对称耦合方式。以这种非对称温度场耦合单元为基础,我们从理论和模拟研究了扩散趋肤效应与拓扑热漏斗效应。与对称耦合条件下形成的单个拓扑界面态不同,拓扑热漏斗中所有模式温度场都会聚集于指定界面。







总结



本文系统研究了热扩散趋肤效应和拓扑热漏斗。与波动系统的复杂动态调制不同,扩散系统非对称耦合可通过不同密度热超构材料直接接触实现。我们的结果揭示了热扩散体系为研究非厄米物理包括非厄米拓扑物理提供了一种新的平台。这种扩散趋肤效应有望用于热收集,高效热电效应,热传感等方向。




1. 非对称耦合和热漏斗概念。a波动系统和热扩散系统中场的非对称耦合。与波动系统哈密顿量相比,热扩散系统哈密顿量中的元素均带有虚数i表示热传导过程的耗散特性。b热漏斗概念图。温度场快速聚集于指定位置并达到稳态。



2. 热漏斗模型。a 多环耦合结构实现拓扑热漏斗,其中红虚线表示界面。b 圆环密度和环间耦合层导热系数分布。c 等效紧束缚模型,其中非对称耦合系数ih0aih0/a



3. 拓扑相图。黄色区域卷绕数W = 1对应拓扑非平庸态,蓝色区域卷绕数W = 0对应拓扑平庸态。



4. 热漏斗效应。ab 对称耦合于非对称耦合下温度场随时间演化。cd 耦合缺陷(灰色阴影)对温度场演化的影响。相对于对称耦合,非对称耦合诱导的热漏斗效应对耦合缺陷具有较强的鲁棒性。

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