[论文解读] Controlling mass and energy diffusion with metamaterials

Fubao Yang, Zeren Zhang+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2023

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文提出了'扩散学'（diffusionics）——一种利用超材料控制质量与能量扩散的框架，结合变换理论、散射抑制与拓扑原理。该研究展示了新型器件，如热隐身斗篷、辐射冷却器及非互易热传输系统，并在非厄米拓扑与时空调制方面取得关键进展，显著增强了对热、粒子与离子浆系统中扩散过程的调控能力。

ABSTRACT

Diffusion driven by temperature or concentration gradients is a fundamental mechanism of energy and mass transport, which inherently differs from wave propagation in both physical foundations and application prospects. Compared with conventional schemes, metamaterials provide an unprecedented potential for governing diffusion processes, based on emerging theories like the transformation and the scattering cancellation theory, which enormously expanded the original concepts and suggest innovative metamaterial-based devices. We hereby use the term "diffusionics" to generalize these remarkable achievements in various energy (e.g., heat) and mass (e.g., particles and plasmas) diffusion systems. For clarity, we categorize the numerous studies appeared during the last decade by diffusion field (i.e., heat, particles, and plasmas) and discuss them from three different perspectives: the theoretical perspective, to detail how the transformation principle is applied to each diffusion field; the application perspective, to introduce various intriguing metamaterial-based devices, such as cloaks and radiative coolers; and the physics perspective, to connect with concepts of recent concern, such as non-Hermitian topology, nonreciprocal transport, and spatiotemporal modulation. We also discuss the possibility of controlling diffusion processes beyond metamaterials. Finally, we point out several future directions for diffusion metamaterial research, including the integration with artificial intelligence and topology concepts.

研究动机与目标

• 建立一个统一的理论与应用框架，用于利用超材料控制能量与质量的扩散传输。
• 通过引入基于变换理论与散射抑制的先进超材料设计，克服传统扩散控制的局限性。
• 探索扩散系统中新兴现象，如非互易传输、拓扑边缘态与时空调制。
• 将扩散超材料与非厄米拓扑、机器学习等前沿概念相连接，推动下一代热与质量传输器件的发展。
• 识别未来研究方向，整合拓扑、人工智能与多场耦合于扩散系统之中。

提出的方法

• 应用变换理论，通过坐标变换将复杂扩散几何结构映射为更简单、可解析求解的配置。
• 利用散射抑制理论设计超材料，以抑制或引导扩散通量，实现隐身与屏蔽效应。
• 采用有效介质理论与极端各向异性，调控宏观尺度下的热与扩散响应。
• 结合数值优化与拓扑场论，设计具备鲁棒性、边缘局域化传输模式的系统。
• 引入材料参数的时空调制，实现在热与扩散系统中的非厄米与布洛赫-弗洛凯拓扑相。
• 将该框架扩展至涉及热传导、对流、辐射与电场的多物理场系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 变换光学原理如何推广至控制热、粒子与离子浆系统中的扩散传输？
• RQ2 实现非互易、非对称或拓扑保护扩散的超材料设计原则是什么？
• RQ3 非厄米与拓扑物理如何被用于调控扩散过程，超越波状行为的范畴？
• RQ4 材料参数的时空调制如何产生新型扩散现象，如皮肤效应或编织统计？
• RQ5 机器学习与多尺度建模在发现与优化扩散超材料中扮演何种角色？

主要发现

• 本文确立了'扩散学'（diffusionics）作为统一框架，用于在热、粒子与离子浆系统中，利用超材料控制质量与能量扩散。
• 基于变换理论与散射抑制理论，理论验证了热隐身斗篷、辐射冷却器与隐形传感器等超材料器件。
• 非厄米热拓扑实现了鲁棒的边缘局域化热传输，为热管理与能量转换应用提供了潜力。
• 材料参数的时空调制实现了弗洛凯拓扑相与几何依赖的皮肤效应，适用于扩散系统。
• 高维拓扑效应，包括高阶皮肤效应与分形或莫尔晶格，被证明可支持新型扩散现象。
• 将机器学习与扩散超材料结合，被识别为发现拓扑与非线性扩散行为的有前景路径。