近年来，拓扑物理作为凝聚态物理学中的一个新兴领域，在电磁波、声波等经典波系统中取得了显著进展。其核心思想是利用材料的宏观拓扑结构来保护其内部的量子态，使其具备极强的鲁棒性。然而，将拓扑原理应用于非波动的热扩散系统中，仍然是一个充满挑战的前沿课题。近日，浙江大学李鹰研究员、陈红胜教授课题组联合新加坡国立大学仇成伟教授课题组，成功在一种特殊的热扩散超材料中，观测到了具有独特性质的拓扑角态。相关工作以“Observation of High-Decay-Rate Topological Corner States in Diffusive Thermal Metamaterials”发表于《Physical Review Letters》（DOI: https://doi.org/10.1103/s97b-qcjc）。浙江大学2025届博士毕业生祁铭鸿为本工作的第一作者，浙江大学博士生王琰翔，天津大学博士生李洪柱为共同第一作者，浙江大学李鹰研究员，陈红胜教授，新加坡国立大学仇成伟教授为共同通讯作者。工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、中央高校基本科研业务费和新加坡教育部资助。
扩散系统的一个显著特征是它们的反厄米特性确保了纯虚数的特征值，这些特征值代表了衰减率，其中较高的衰减率意味着更好的散热效率。尽管高阶拓扑学在各种系统中的研究已经非常广泛，但针对扩散系统的研究才刚刚开始。特别是关于角态的研究在可控性方面还非常有限。在本研究中，受原子p轨道和高阶轨道拓扑概念的启发，本工作在两个热kagome晶格之间的畴壁中引入了多极热模式以实现多个角态。与传统kagome晶格研究不同，本工作发现了高于第三能带的高衰减率角态，并将其特性与局域在域壁上的多极模式联系起来，这种方法不仅实现了高衰减率角态，还探索了对其控制的新维度，在理论上识别并在实验中观察了二维扩散系统中的各种角态。研究还表明，简单的热脉冲可以触发不同角态之间的转变，从而动态地提高衰减率。这项研究进一步揭示了拓扑方法在散热中的潜力，为热管理及相关领域的发展提供了思路。
受原子p轨道和高阶轨道拓扑的启发，本研究将多极模式的概念引入热扩散系统。如图1所示，他们通过构建一个由两种不同拓扑性质的kagome晶格组成的畴壁（domain wall），成功在该畴壁上激发了这些多极热模式，这最终导致了多个高度局域化的角态的产生。
图1：热畴壁模式产生的高衰减速率角态
本研究首先用限元方法进行了数值仿真和理论预测，如图2所示，仿真结果清晰地预测了在材料的“角落”位置，热量会高度集中，形成所谓的“拓扑角态”。
图2：二维热kagome晶格中的热扩散
通过进一步的仿真，图3展示了该材料的能带结构，还直观地呈现了不同拓扑角态的温度分布，清晰地揭示了这些角态在非常高的衰减率区域具有高度局域化的热量特性。
图3：二维热kagome组合模型的不同拓扑态
为了验证这一理论预测，研究人员搭建了精密的实验装置，如图4所示。为确保实验数据的可靠性，样品被置于绝热基座上，以消除环境热扰动。随后，研究团队采用高精度的红外热像仪（Fotric 347）对温度场进行实时监测。实验结果与图3中所示的理论预测高度吻合，从而在实验层面上成功证实了热扩散系统中高衰减率的拓扑角态。
图4：实验设置与结果
通过利用拓扑角态的高衰减率特性，未来可以设计出能够在高功率电子设备中，实现快速且精准的散热的新型高效散热器，从而提高设备性能和使用寿命。以及可用于极端环境，例如航空航天或高温工业设备，为关键部件提供快速有效的热保护。
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撰稿|课题组
