近日，郑州大学范春珍教授与华东理工大学王斌博士以及上海第二工业大学王骏副教授的研究团队合作，在物理学顶级综述期刊《Physics Reports》（IF=30，中科院一区TOP期刊）上发表题为《Thermal metamaterials: From static to dynamic heat manipulation》的综述论文。在热学超材料这一领域，他们首次从系统动力学状态的视角，对包括传导、对流、辐射在内的多模调控理论进行了系统回顾，并对静态和动态超材料系统中各自蕴含的拓扑现象、传热互易性和非厄米效应等新奇物理以及未来的发展趋势进行了讨论和展望。本文的第一作者是范春珍教授。通讯作者为范春珍教授、华东理工大学的王斌博士、上海第二工业大学的王骏副教授。华东理工大学的吴晨龙、上海第二工业大学的王元元教授也参与了这项工作。
静态和动态超材料具有操纵不同物理场的能力而被广泛研究和应用于多个领域。热传递方程包含非线性项，遵守质量、动量和能量守恒，因而在不同的传递模式下，可以展现椭圆型、抛物线型、双曲型和混合型。这类多模式传递特性使得热学超材料在静态和动态操纵机制上区别于其他超材料。采用变换理论和其他方法来调制静态热学超材料的辐射特性，推动了热隐身器、热集中器、热二极管等的发展。不同于静态情况下，近年来热传递操纵已扩展到动态系统。在超材料设计中引入流体动力学导致了诸多新颖的物理效应，如动态隐身、零阻力特性、拓扑热传递、非互易扩散和非厄米物理。此外，动态热学超材料允许在时间和空间维度上进行精确控制，引发了可调节、可重构和智能热超器件等的应用。然而，很少有研究从静态和动态操纵的角度系统分析热学超材料的发展。本综述旨在澄清静态和动态操纵在原理、应用和物理效应方面的联系与区别。首先从静态热学超材料的发展和应用开始，接着展示动态热学超材料在基本理论和应用方面的发展。最后，总结了静态和动态热学超材料的研究方向，并展望未来的研究挑战。
《Physics Reports》是物理学和交叉科学类最具影响力的顶级期刊之一，全部由相关领域做出突出贡献的专家学者撰稿。该刊每期只发表一篇论文，对所在领域的发展具有重要的引领和指导作用。
图1 动态和静态热学超材料在热传递领域中的应用。
图2 静态热学超材料，从上到下分别为热斗篷、热聚集、热反转。
图3 热学超材料用于辐射制冷颜色显示。由上层发射器和下层颜色显示的MIM结构组成的彩色辐射制冷器。
图4 几种动态热学超材料的设计思想和实现方法。
图5 宏观动态热学系统中设计和观察拓扑现象（A、B）、非互易效应（C、D）和非厄米物理（E、F）。
该研究得到了国家自然科学基金（No. 12205102，12205101）、上海市扬帆计划（No. 22YF1410600）、河南省科技攻关项目（No. 232102231023）的资助。
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https://doi.org/10.1016/j.physrep.2024.05.004
