Nat. Commun.:转角莫尔热超表面- 大数跨境

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Nat. Commun.:转角莫尔热超表面

两江科技评论

2024-03-21

导读：近日，新加坡国立大学电子与计算机工程系讲席教授仇成伟老师和浙江大学李鹰老师团队合作，成功通过精心调节热耦合，引入并实验证实了转角扩散系统中的转角热学机制，其中扭转到类比的“热魔角”处将导致热功能从“热

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撰稿|由课题组供稿

导读

转角双层石墨烯中有关莫尔纹魔角的广泛研究已经揭开了新兴领域——扭转电子学的面纱。最近，其光学类比，即光转角电子学，进一步扩展了转角电子学的潜在普适性。然而，由于宏观热扩散既不像光子那样具有色散，也不像电子那样具有带结构，因此，对于热扩散来说，类似于电子或光子中的真正热魔角是模糊不清的，这使得理解或设计任何宏观热扩散的魔角的热类比变得难以捉摸。近日，新加坡国立大学电子与计算机工程系讲席教授仇成伟老师和浙江大学李鹰老师团队合作，成功通过精心调节热耦合，引入并实验证实了转角扩散系统中的转角热学机制，其中扭转到类比的“热魔角”处将导致热功能从“热隐身”转变为“热集中”。我们的工作为可调控的宏观热扩散控制提供了见解，并为转角电子学开辟了一条意想不到的分支——转角热学，为包括但不限于流体在内的转角模型的各种场调控铺平了道路。3月9日，相关研究成果以《转角莫尔热超表面》（“Twisted moiréconductive thermal metasurface”）为题在线发表于《Nature Communications》杂志上。

研究亮点

近日，新加坡国立大学电子与计算机工程系讲座教授仇成伟老师和浙江大学李鹰老师团队，鉴于转角电子学和光子学在魔角处对电子或光子传输具有反直觉的调控特性，首次实现了基于线性莫尔条纹的动态宏观转角热场调控手段，完成了“热隐身”，“热旋转”，“热透明”和“热集中”之间的宏观动态热场调控，特别是扭转到类比的“热魔角”处会引起等效热导率的拐点出现，从而促使热功能从“热隐身”转变为“热集中”。

研究人员选择栅状结构作为产生线性莫尔条纹的结构单元，组装出具有线性莫尔条纹的转角扩散系统（图1）。在这里，基于我们提出的宏观转角热扩散理论，我们发现了一个等效热导率随着角度变化的拐点。这个拐点出现在扭转上下线性莫尔条纹层的一个小角度处，这与转角电子学和光子学在魔角处对电子或光子传输具有反直觉的突变调控相似。

更重要的是，上述宏观转角热扩散理论框架是具有普适性的。研究团队通过理论计算与分析（图2），基于“热魔角”的宏观热超构器件的数值仿真和实验论证（图3），以及热功能的多功能切换和两面神效应（图4），证实了提出的转角热学理论框架的可行性与准确性。这项研究引入了“扭转热学”的概念，即通过转角莫尔纹热超表面来控制热传输的概念。该研究为可调节的热扩散控制提供了见解，展示了利用“热魔角”对热传导和温度梯度的调控，从而实现多功能热超构器件的潜力。利用热耦合，这种方法实现了可切换的热功能，实现了对热传输的多维控制，并有望提升应用于各种领域的热管理技术。

图1 宏观转角热学的起源

图2 宏观转角热学的理论与仿真分析

图3 基于热魔角现象的数值仿真和实验证明

图4 热功能的多功能切换和两面神效应

总结与展望

该工作发表在Nature Communications上，新加坡国立大学电子与计算机工程系博士李华根和浙江大学信息与电子工程学院博士王栋为论文共同第一作者，李鹰教授和仇成伟教授为共同通讯作者。这项研究得到了国家重点研发计划青年科学家项目，新加坡教育部基金，国家自然科学基金，浙江省国家自然科学基金的资助。

该论文的作者为：Huagen Li, Dong Wang, Guoqiang Xu, Kaipeng Liu, Tan Zhang, Jiaxin Li, Guangming Tao, Shuihua Yang, Yanghua Lu, Run Hu, Shisheng Lin, Ying Li & Cheng-Wei Qiu

阅读原文

doi.org/10.1038/s41467-024-46247-2.

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