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零折射率光子学类比中的热超材料器件

DOI：10.1038/s41563-018-0239-6 期刊：Nature Materials 出版年份：2018 更新时间：2025-09-10 09:29:36
摘要： 受光子超材料发展的启发，热超材料概念为调控热流开辟了新途径。在光子学领域，兼具正负介电常数的天然材料存在使得具有极宽有效参数范围的超材料成为可能。相比之下，导热过程中天然材料的热导率取值范围要窄得多，这严重限制了热超材料的有效参数及其在极端环境中的应用潜力。我们发现了麦克斯韦方程中零折射率与傅里叶定律中无限热导率之间的严格对应关系，并提出一种集成对流元件的导热系统——该系统能产生极端有效热导率，从而对应形成光子近零折射率超材料（这类控制光的关键超材料）的热学类比物。通过结合零折射率超材料的普适特性与热传导的特定扩散本质，我们在理论与实验上共同实现了一种热零折射率隐身斗篷。与传统热隐身斗篷不同，这种超器件能在高导热背景中工作，且被隐身物体对外部温度变化保持高度敏感性。我们的研究展示了一种能显著增强热流调控能力的热超材料。
作者： Ying Li，Ke-Jia Zhu，Yu-Gui Peng，Wei Li，Xue-Feng Zhu，Shanhui Fan，C.-W. Qiu
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

通过构建一个集成对流元件的导电系统，实现极端有效热导率，从而展示光子近零折射率超材料的等效热学模拟，进而设计出能在高导热背景中运行且对外部温度变化保持敏感的热零折射率隐身斗篷。

研究成果

该研究成功展示了一种在强导热背景下运行且对外部温度变化保持敏感的热零折射率隐身斗篷，为热管理提供了一种新方法。研究结果表明其在高效传热的智能控制系统中具有潜在应用价值。

研究不足

该研究的局限性在于难以实现热对流元件模拟无限热导率所需的极高流体速度这一实际挑战。此外，在较低转速下，对流引发的非互易性畸变也可能影响该设计的性能表现。

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