Die Gruppe von Jiping Huang (Fakultät für Physik, Fudan-Universität) und die Gruppe von Cheng-Wei Qiu (Fakultät für Elektrotechnik und Computertechnik, National University of Singapore) arbeiteten zusammen, um diese Studie abzuschließen, die in veröffentlicht wurde National Science Review. Sie fanden einen neuen Mechanismus, um asymmetrische Temperaturprofile ohne dynamische Modulation zu erzeugen. Insbesondere könnten abgestufte Wärmeleitfähigkeiten die imitierte Advektion in reiner und passiver Leitung induzieren, die einen ähnlichen Temperaturfeldeffekt wie die realistische Advektion hat. Mit der nachgeahmten Advektion könnte Wärme wie schwarze Löcher spontan zum Zentrum konvergieren.
Die Teams demonstrierten experimentell die nachgeahmte Advektion, die durch abgestufte Wärmeleitfähigkeiten induziert wird, ein Gegenstück zu abgestuften Brechungsindizes, die für das effektive Momentum in der Photonik verantwortlich sind. Somit konnten immer noch asymmetrische Temperaturprofile in entgegengesetzten Richtungen beobachtet werden, obwohl das System keine dynamische Modulation aufweist. Darüber hinaus könnte der Energieverlust, der sich aus der natürlichen Konvektion und Wärmestrahlung in Experimenten ergibt, asymmetrische Wärmeflüsse in entgegengesetzte Richtungen ermöglichen.
Die Forscher gestalteten die nachgeahmte Advektion weiter so, dass sie in Richtung Zentrum zeigt. Daher könnten umliegende Hotspots wie schwarze Löcher zum Zentrum hin eingefangen werden. Die konforme Transformationstheorie könnte die physikalische Grundlage für die Verknüpfung von abgestuften Parametern und krummliniger Raumzeit erklären. Inspiriert von rotierenden Schwarzen Löchern führten sie auch eine Rotationstransformation an abgestuften Parametern durch, um das rotierende thermische Einfangen zu demonstrieren.
Sowohl Simulationen als auch Experimente bestätigten ihre Entwürfe. Insbesondere stellten sie zwei Proben her, um normales und rotierendes thermisches Einfangen zu demonstrieren. Drei übliche Materialien (dh Kupfer, Eisen und Stahl) erhöhten den Wärmeleitfähigkeitsgradienten. Diese beiden Proben wurden zur Messung in ein Eiswasserbad als Kältequelle gegeben. Heißluftpistolen erzeugten heiße Stellen, die eine konstante Anfangstemperatur abgeben konnten. Dann wurden die beiden Arten des thermischen Einfangens beobachtet.
Thermische Advektion ist entscheidend für die nichthermitische und nichtreziproke Physik. Da die imitierte Advektion fast den gleichen Temperaturfeldeffekt wie die realistische Advektion hat, ist es vielversprechend, nicht-hermitesche und nicht-reziproke Phänomene mit abgestuften Wärmeleitungs-Metageräten aufzudecken.
Aufgrund der asymmetrischen thermischen Diffusion, die durch die nachgeahmte Advektion induziert wird, haben abgestufte Wärmeleitungs-Metavorrichtungen außerdem potenzielle Anwendungen für die Rückgewinnung von Abwärme und das thermische Trichtern. Ein wesentlicher Vorteil ist der null Energieverbrauch, da keine externen Antriebe benötigt werden. Diese Ergebnisse könnten auch neue Gedanken und Perspektiven bringen, die Diffusionssysteme (z. B. Thermotik und Teilchendynamik), Wellensysteme (z. B. Photonik und Akustik) und kosmologische Systeme (z. B. Schwarze Löcher und Wurmlöcher) verbinden.
Liujun Xu et al, Blackhole-inspiriertes Thermal Trapping mit abgestuften Wärmeleitungs-Metageräten, National Science Review (2022). DOI: 10.1093/nsr/nwac159