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与新加坡国立大学仇成伟教授课题组合作，在时空热超构材料中揭示了扩散菲索拖曳现象（即：温度场向前和向后的传播速度不同的现象）并提出了热威利斯耦合机制（即：给出了适用于时空热超构材料的修正傅里叶定律）。相关成果以“Diffusive Fizeau Drag in Spatiotemporal Thermal Metamaterials”为题发表于《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 128, 145901 (2022)]。我系黄吉平教授与新加坡国立大学仇成伟教授为论文的共同通讯作者，我系博士生须留钧为论文的第一作者。

图1：(a)光的菲索拖曳;(b)极化子的菲索拖曳;(c)温度场不携带动量，所以热学中不存在菲索拖曳的直接对应;(d)时空热超构材料中热的菲索拖曳。

   光在顺流和逆流中的传播速度不同，这由菲涅耳1818年理论预言并由菲索1851年实验证实。该重要发现通常被称为菲索拖曳，且已经被相对论很好地解释。最近，两项实验揭示了极化子的菲索拖曳，这由漂移狄拉克电子的非线性运动产生。

   另一方面，扩散系统也可以呈现波动特性，这为实现扩散菲索拖曳提供了可能。然而，不同于光子和极化子拖曳的动量相互作用机制[图1(a)和1(b)]，温度场传播不携带动量[图1(c)]，所以偏置平流无法拖曳温度场。换言之，温度场向前和向后的传播速度总是相同的。由于传热的耗散特性，温度场振幅在相反方向上是不相同的。因此，实现扩散菲索拖曳仍然是一个极具挑战的问题。

   为解决这个难题，团队构建了一种时空热超构材料来揭示扩散菲索拖曳现象[图1(d)]。其中，“时”是指引入了时间相关的法向平流，“空”是指引入了空间相关的周期性非均匀。由于时空调制的特征长度远小于温度场的波长，所以该材料可以被称为超构材料。事实上，法向平流和周期性非均匀各自都不会导致水平非互易，但它们的协同效应会产生扩散菲索拖曳。其背后的物理机制在于热流和温度变化率之间产生了耦合，这可以看作是机械波中威利斯耦合的热学对应。

   这些结果不仅表明热威利斯耦合是实现非互易扩散的一种新机制，而且在控制非平衡传热传质方面存在巨大潜力。

论文地址：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.145901