近日，复旦大学物理学系/应用表面物理全国重点实验室黄吉平教授课题组与新加坡国立大学仇成伟教授课题组合作，在非厄米物理与扩散超构材料交叉方向取得重要进展：提出并实验验证了“时间调制反宇称时间对称性”原理，首次在对流-扩散体系中实现温度波包的按需双向输运与定点俘获——既可随对流顺流而下，也可逆流而上，并可在任意目标位置精准锁定。相关研究成果以“Temporal anti-parity-time symmetry in diffusive transport”为题，于2025年12月10日发表于《Nature Physics》（https://doi.org/10.1038/s41567-025-03129-8）。复旦大学黄吉平教授与新加坡国立大学仇成伟教授为论文的共同通讯作者；上海理工大学理学院金鹏博士、复旦大学物理学系博士生王成猛、周宇鸿、新加坡国立大学博士生杨水华为论文的共同第一作者；合作者还包括中国工程物理研究院研究生院博士后杨福宝博士、上海理工大学理学院刘晋榕博士、上海交通大学博士生孙娅、复旦大学庄鹏飞博士、复旦大学物理学系博士生张奕扬、中国工程物理研究院研究生院须留钧副研究员、新加坡国立大学周毅博士以及新加坡国立大学Ho Ghim Wei教授。
以光场“夹住”并操控微粒、细胞和病毒的光镊技术曾两度摘得诺贝尔物理学奖（1997年、2018年），深刻塑造了人类对微观世界的操控方式。受此启发，课题组与合作者将“镊子操控颗粒”的理念推广为“镊子操控能量”的新路径，运用非厄米宇称时间/反宇称时间对称性的思想，将对能量与信息流的精细调控从波动体系拓展至扩散体系。尽管近年来扩散超构材料中已涌现出热局域、热拓扑态等重要进展，但大多仍停留于“静态范式”，即功能在设计阶段即被固化为特定相态，难以实现对能量在时间域内的主动抓取、拖拽与定点捕获。打破这一瓶颈的关键在于：能否将“相变何时发生”变成可编程的自由度，把非厄米控制从“设计空间结构”升级为“编排时空过程”。
围绕这一核心问题，本工作提出“时间调制反宇称时间对称性”的新原理，将非厄米相变的触发时刻视作可直接“下达的命令”，通过在恰当时刻非绝热地切换材料属性与对流状态，精确跨越奇异点（EP点），从而把系统的输运历史写成可控的“时间脚本”。研究团队构建了可重构的“三环热超构材料”实验平台，采用“两个阶段、一个时刻”的时间协议：在起始的“输运阶段”，环一、环二、环三以相同的转速v运转（或，环一v；环二、环三-2v）。使环一上的温度波包可按需顺流推进（或，逆流而上）；当到达预设的切换时刻t时，系统同步执行材料与速度的双重切换——中间环的嵌入介质由空气瞬时替换为铜，第二环停止旋转、第三环反向至-v，而第一环保持旋转——使环间热交换率h跨越奇异点阈值（h > hEP），系统进入“俘获阶段”，温度波包在目标位置被锁定。为确定最优切换时刻，引入深度学习模型，以温度峰值的初始与目标位置为输入预测t，从而实现对温度波包在时空中的精准调度。由此，系统首次在对流-扩散体系中实现了“镊子式”的热操控：既能沿对流方向高效传输并定点俘获，也能逆对流方向实现反常输运并在任意位置稳固锁定。
图：工程设计时间调制反宇称时间对称性。a, 传统反宇称时间对称性：抑制对流实现局域俘获，热波包随时间逐渐衰减。b, 时间调制反宇称时间对称性：在相同对流条件下可编程地顺流/逆流输运温度波包，并在任意位置锁定。c, 实验平台与时序协议：三同心旋转环与介质/速度的同步切换，深度学习预测最优切换时刻。
该研究将扩散体系中的非厄米物理从“静态相”拓展至“可编程的时空脚本”，以“能量镊子”的形式为按需能量管理提供了全新工具，展示了在智能热管理中的直接应用前景，有望在微电子与算力系统中将冷却能量主动引导至关键单元，在热电与可再生能源领域通过动态塑造温差场突破静态效率瓶颈。更重要的是，这一时间调制对称性范式提供了波与能量“四维（时空）控制”的通用蓝图，可望拓展至光、声与自旋等平台，实现光脉冲按需存储与释放、冲击波拦截以及自旋波的精确引导，推动超构材料设计从“空间中的静态响应”迈向“时间调制的动态演化”。
论文地址：
https://doi.org/10.1038/s41567-025-03129-8
撰稿|课题组
