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第一作者 First Author#、通讯作者 Corresponding Author*
Fubao Yang#, Zeren Zhang#, Liujun Xu#, Zhoufei Liu#, Peng Jin#, Pengfei Zhuang, Min Lei, Jinrong Liu, Jian-Hua Jiang, Xiaoping Ouyang, Fabio Marchesoni, and Jiping Huang*, Controlling mass and energy diffusion with metamaterials,
Zeren Zhang#, Liujun Xu#, Teng Qu, Min Lei, Zhi-Kang Lin, Xiaoping Ouyang, Jian-Hua Jiang*, and Jiping Huang*, Diffusion metamaterials,
Jinrong Liu#, Liujun Xu#*, and Jiping Huang*, Spatiotemporal diffusion metamaterials: Theories and applications,
Ran Ju#, Guoqiang Xu, Liujun Xu, Minghong Qi, Dong Wang, Pei-Chao Cao, Rui Xi, Yifan Shou, Hongsheng Chen*, Cheng-Wei Qiu*, and Ying Li*, Convective thermal metamaterials: Exploring high-efficiency, directional, and wave-like heat transfer,
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君子生非异也
热超构材料是前沿交叉领域，涉及统计物理、材料热力学和工程热物理等学科。一般而言，很少会有一个重要的科学问题正中你擅长的方向。更多的是，我们发现了一个重要的科学问题，而这个问题需要结合不同工具（如理论推导、模拟仿真和实验观测）才能够解决，所以“善假于物”对交叉领域格外重要。换句话说，对本课题组感兴趣的同学不必因为缺少专业知识而担忧，“会什么”是重要的，但更重要的是面对难题时知道“做什么”和“学什么”。
学问？学问！
爱因斯坦曾说过：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，解决一个问题也许只是一个数学上或实验上的技巧，而提出新的问题、新的可能，从新的角度看旧的问题，需要创造性的想象力，这标志着科学的真正进步。”因此，我们对新生的培养方案是“问中学”：导师会安排一个难度适中的前沿科学问题，学生在解决问题的过程中学习基础知识、软件应用和实验操作。在此基础上，学生需要主动思考，从而凝练出新的关键科学问题，进一步利用已有的工具，甚至发明新的工具来开展下一步研究。如果学生能做到这些，那就是非常优秀的博士生了，毕业拿学位也就是水到渠成的事情了。
隐身斗篷 Invisibility Cloaks
2006年，Science发表了两篇论文[
零频的波动方程和稳态的扩散方程都是拉普拉斯方程。若要基于拉普拉斯方程实现隐身，只需保证斗篷的第一类和第二类边界条件（对于热传导为温度和法向热流）与背景匹配即可，因为唯一性定理可以保证背景物理场不被扰动。坐标变换、散射相消、主动控制和拓扑优化等方法都能实现界面匹配，但是通常受限于各向异性参数、规则几何形状、外部能量消耗和效率精度矛盾等因素。
我们提出了“共形辅助追踪Conformality-Assisted Tracing (CAT)”方法，正向地设计了仅需非均匀各向同性参数的自由形状隐身斗篷，分别提高了设计效率和设计精度约三个数量级。被Nature Computational Science的News & Views [
在无源条件下实现界面匹配可能需要极高或极低的热导率。通过控制边界温度或引入旋转流体能消除热导率的奇异性。这些方法通常只能保证背景的温度分布不被扰动，但是无法调控中心的温度分布。此外，复杂的热电温控模块或外驱电机系统使装置缺乏适应性，无法在不同背景中工作。
借鉴经典电偶极子模型，我们提出了由功率密度相反的热源和冷源构成的热偶极子模型，其温度分布形式与由热导率不同而产生的温度扰动形式一致，所以通过精确设计热偶极矩就能抵消温度扰动。进一步，我们提出了由多个热偶极子构成的叠加热偶极子模型，通过调整热偶极矩实现了热透明和热隐身，不仅能适应不同的背景热导率和热流方向，还能在有界面热阻的情况下工作。这些结果有望启发其他扩散过程的调控，如流体力学和颗粒扩散。
既然隐身斗篷已经被推广到热传导，那么自然会考虑被推广到热对流和热辐射的可行性。热对流通常包含了热传导，所以热流密度由对流和传导贡献。如果考虑势流，对流速度可以被写成某个标量函数的梯度，并且满足拉普拉斯方程，所以其调控和传导类似。然而，热辐射是电磁波，满足麦克斯韦方程组，其调控和传导截然不同。
我们发展了热传导与热辐射耦合的模型。在光学厚介质中，光子的平均自由程远小于介质厚度，光子输运以扩散为主，罗斯兰扩散近似下热辐射的热流密度正比于T3∇T（T为温度）。除了非线性系数T3，热辐射和热传导的热流密度形式相似，用变量代换Φ=T+cT4（c为常数）就能将非线性问题转化为线性问题，从而建立多模变换热学理论和多模有效介质理论。
非互易性 Nonreciprocity
非互易性通常指一个物理量沿正向和沿反向具有不同的性质。对于稳态热传导，如果交换冷热源后热流密度改变，则有热非互易性。这种非互易热输运通常需要非线性材料和非对称结构。随着对瞬态热传导的深入研究，热非互易性涉及的物理量和机制也不断被拓宽。我们解决了热非互易性的多个关键科学问题。
传统的结构设计大多局限于空间维度。近年来，时间维度作为一个强有力的工具被引入，有助于在光学和声学中实现非互易性。通过时空调制热导率和体积热容也可以在热传导中实现非互易热输运。然而，时空调制体积热容（密度与热容的乘积）极为困难。一方面，时空调制密度会引入局域热对流，使热非互易性消失。另一方面，时空调制热容可能需要吸放热，缺少可行的物理基础。因此，时空调制能否产生热非互易性仍然存疑。
我们提出了动态非均匀参数与非平衡温度耦合的模型，并发展了相应的均质化理论，然后阐明了非平衡热输运诱导非线性热流的机制：本构关系中出现了热威利斯耦合，使宏观热传导超出了线性傅里叶定律的描述范围。因此，在瞬态热传导中时空调制仍能产生非互易热输运。
三端口环形器是典型的非互易器件：1端口输入，只能2端口输出；2端口输入，只能3端口输出；3端口输入，只能1端口输出。在光学中能通过磁场或时空调制产生的等效磁场来实现。在声学中能通过空气环流或时空调制产生的等效磁场来实现。这些非互易器件依赖波动特性，如偏振和相位。然而，扩散系统并无类似特性，所以在热学中设计环形器极为困难。
受声塞曼效应的启发，我们在热对流（包含了热传导）系统中揭示了热塞曼效应：体积力产生的角动量偏置会导致模态分裂。由于输入时谐温度，所以热非互易性对应的物理量为温度振幅。当体积力取最优值时，一个端口能观察到温度涨落（振幅非零），另一个端口温度涨落被隔离（振幅为零），所以热整流比能达到最大值1。温度干涉能定量预测热整流比峰值对应的体积力。这些结果无需温度依赖的非线性材料，适用于任意温度范围。
传统热调控都希望避免热损耗，因为其降低了传热效率。但当热损耗不可避免时，如果能利用它实现某一功能，也算变废为宝。目前，非互易热超构材料通常面临三个挑战：工作温度范围有限、结构固定、能耗高，极大限制了实际应用。如果能利用热损耗实现非互易热输运，这些挑战有望迎刃而解。
我们提出了一种通过热损耗实现热非互易性的方法，利用自然对流在非对称结构中产生的非对称热损耗打破了热传导的空间反演对称性。虽然热损耗通常是不利的，但我们利用热损耗实现了热非互易性，提升了能源利用效率。这种基于自然材料的非对称结构能满足不同需求，而且适用于任意温度范围。这些结果为非互易热器件的设计提供了新思路，也为在其他系统中基于损耗实现非互易性提供了参考。
手性物质 Chiral Matter
手性是指一个物体与其镜像无法重合的性质，如同人的左右手。手性物质在物理学的各个领域中都发挥了关键作用，如手性超导体、手性晶体。另一方面，活性物质是指由大量自驱动个体组成的非平衡态复杂系统。如果自驱动表现为机械旋转时，就构成了手性活性物质，通常有新奇的物理性质，如奇粘性、奇弹性、奇扩散率、奇质量密度。我们解决了手性物质热输运的多个关键科学问题。
奇热导率是指二维热导率张量的主对角元相等、非对角元相反，与通常的各向异性热导率（非对角元相等）截然不同。热霍尔效应具有奇热导率：通过在纵向温度梯度中施加垂直磁场诱导横向热流。然而，这种方案通常需要庞大、复杂且昂贵的设备实现强磁场和极低温。即便付出巨大代价，热手性（横向与纵向热流之比）仍很微弱（10的负三次方量级），给实际应用带来了极大不便。
我们设计了一个由静止固体背景和旋转固体颗粒构成的手性活性晶格。旋转打破了昂萨格互易关系，从而实现了热手性，所以该方案不需要强磁场、极低温和特定的绝缘材料。在最佳旋转速度下，该方案产生了比以往大两个数量级的热手性（10的负一次方量级）。此外，我们还实现了各向异性热手性，将等效热导率拓展到了传统热霍尔效应无法实现的区域。
拓扑绝缘体的体内是绝缘的，但在边界上可以导电，因为存在边界态。这种现象在凝聚态物理中被发现后，也被推广到了经典的波动系统。例如在声学中，通过构建一个三角晶格结构并在每个格点上引入同向环流，可以在边界上观察到对无序免疫的单向声传播。单向边界传热在散热和热防护中至关重要，但相关研究仍很缺乏。
我们揭示了边界态不一定局限于波动系统，也可以存在于本质上不同于波动系统的热对流（包含了热传导）系统。为此，我们构建了一个类石墨烯（或蜂窝）晶格，用以展示单向边界传热，这种边界态对缺陷和无序也具有鲁棒性。从物理图像上来看，可以把手性环流比作电子回旋，打破了空间反演对称性，决定了边界传热的方向。体内反向对流之间的扩散干涉阻止了温度在体内传播。这些结果有助于探索波动系统之外的边界态物理。
