近日，复旦大学物理学系/应用表面物理国家重点实验室黄吉平教授课题组撰写了一篇关于扩散超构材料的综述论文。相关成果以“Controlling mass and energy diffusion with metamaterials”为题发表于《现代物理评论》[Rev. Mod. Phys. 96, 015002 (2024)。免费阅读全文：http://arxiv.org/abs/2309.04711]。我系黄吉平教授为论文的通讯作者，我系博士生杨福宝、张泽人，中国工程物理研究院研究生院须留钧研究员，我系博士生刘周费、金鹏等五位为论文的共同第一作者，合作者还包括我系博士生庄鹏飞、雷敏、刘晋榕，中国科学技术大学蒋建华教授，欧阳晓平院士以及Fabio Marchesoni院士。

图1：超构材料的起源与发展。超构材料已有很多分类，但若从控制方程角度看，超构材料可以分为三类：第一类是波动超构材料，由横波波动方程（麦克斯韦方程）控制；第二类也是波动超构材料，由包含纵波在内的波动方程控制；第三类是扩散超构材料，由扩散方程控制。图中每一类都列出了开创性的或关键性的参考文献。右列展示了热聚集、颗粒隐身和等离子体旋转等应用。注：波动超构材料的特征长度与时间无关，但与频率有关；扩散超构材料的特征长度通常与时间有关，但与频率无关。无论是波动超构材料，还是扩散超构材料，都因为存在特征长度，而可以利用有效介质理论，来设计或解释新奇现象或性质，例如，光学负折射、热隐身、等等。

   温度或浓度梯度引发的扩散是能量和质量输运的基础机制，其与波动输运在物理原理和应用上，极为不同。超构材料为控制扩散过程开辟了新天地，其得益于变换理论，以及包含散射相消理论在内的诸多扩展理论。这些理论推广了原有概念，并带来了全新的超构材料技术。本综述采用“扩散学”一词，总结了在能量和质量扩散系统中的重要进展，包括热扩散、颗粒扩散和等离子体扩散。清晰起见，将近十五年的研究成果按扩散系统分类，并从三个角度进行讨论，即：从理论角度，解析了变换理论在各扩散系统中的应用；从应用角度，展示了基于超构材料的新奇设备，如隐身装置和辐射冷却器；从物理角度，链接了非厄米拓扑、非互易输运和时空调制等新兴概念。文章还探讨了超越超构材料技术控制扩散过程的各种方法。最后，对领域未来进行探讨，其包括与人工智能和拓扑概念相结合的推广讨论。

   该领域在过去十五年中快速发展，极大丰富了扩散系统的物理现象和理论基础。扩散超构材料，尤其关注于热扩散、颗粒动力学和等离子体传输，展现了变换理论等超构材料理论的潜力。这些材料无关乎频率，能突破工作带宽限制，为实际应用提供新契机。尽管面临变换参数各向异性、奇异性和实验实现困难等挑战，扩散超构材料研究仍处于蓬勃发展阶段。新理论揭示了变换热学和散射相消理论之间的几何联系，为设计带来革新。此外，更多的研究亦聚焦于多物理场和微纳尺度的扩散现象，深入探索拓扑效应和机器学习在扩散系统中的实际应用，未来还将实现更多具有功能适应性的动态器件，以及探索诸如高维非厄米拓扑等新颖现象——这些皆预示着该领域拥有巨大的科学和技术潜力。

论文地址：https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.96.015002