近日，我校电子信息与光学工程学院的变换光学与超材料团队最新研究成果，以“Active Thermal Metasurfaces for Remote Heating/Cooling by Mimicking Negative Thermal Conductivity”为题在国际顶级学术期刊《Advanced Materials》(影响因子32.086)上发表，研究给出了一种等效实现负热导率材料的方法，并实验实现了焦距为19.8mm的长焦热透镜。该研究的第一署名单位为太原理工大学，刘一超（副研究员）为第一作者，孙非（副研究员）为通讯作者，晁坤（2020级电子信息工程）和陈韶婕（2021级光学工程）为课题组的硕士研究生，戴鸿涛和陈汉川为课题组的本科生（2019级光电信息科学与工程专业）。
图1.论文页面截图
在2016年，课题组就开始理论研究基于负热导率材料的长焦热透镜【Opt. Express 24, 5683 (2016)】。历经八年的不懈努力，在2023年课题组实验实现了这种长焦热透镜。该研究工作亮点如下：
1）自然界中的材料无法实现负热导率，如果实现负热导率介质，就会产生热流从低温向高温处传输等新奇的物理现象。然而，目前仍然缺乏实现负热导率材料的有效方法。在本研究中，提出了一种可以等效产生和负热导率材料的有效方法。在本研究中，提出了一种可以等效产生和负热导率材料相同热流调控效果的一般方法，为热流的调控开辟了新的方向。
2）基于正热导率的热聚焦，热焦点处的温度并不是最高的，反而热流汇聚路径中的温度更高。本研究提出的基于负热导率材料的长焦热透镜，可以实现远距离热聚焦的效果，即可以在周围背景都是低温的环境中产生一个高温的热焦点（图2），并且在实验中观测到了距离透镜后表面19.8mm的远距离热聚焦现象。
3）远距离制冷可以在冷源不直接接触物体的情况下，通过热传导的方式实现制冷。本研究提出的长焦热透镜也可以实现远距离制冷的效果，并且实验上观测到在不直接接触目标物体的情况下，使其表面温度降低至少1度的制冷效果。
4）本研究还展示了如何通过动态调节热超表面单元驱动电流的方法，来实现热焦点位置的实时改变、远程加热-制冷效果切换等各种新颖的热调控效果。
该研究还分析了负热导率材料实现后，在热超透镜、热隐身和热表面等离子体激元等领域的应用前景。该工作拓展了可实现的等效热导率范围，为实现一些新型热调控器件提供了理论基础，在热保护、热欺骗、热整流以及其他高精度智能温度调控场合具有潜在应用。本研究得到了国家自然基金项目61971300、12274317、61905208的支持。
图2.远程热聚焦的效果示意图
孙非，太原理工大学副研究员，浙江大学与瑞典皇家工学院双博士学位，研究方向为变换光学、隐身衣、超材料与多物理场调控。主持国家级项目4项，第一/通讯作者在Advanced Materials、Physical Review Letter等期刊上发表论文50余篇，授权发明专利21件，实用新型专利1件，英文专著1部。讲授《数学物理方法》《高等光学》课程。
刘一超，太原理工大学副研究员，浙江大学博士学位，研究方向为变换光学、时变超材料超表面、多物理场隐身器件。主持国家级项目2项，主要负责人参与国家级项目3项，以第一/通讯作者在Physical Review Letter、Physical Review Applied、Advanced Materials、Photonics Research等期刊发表论文20余篇，授权发明专利10余件。讲授《变换光学》《量子力学》课程。
晁坤，太原理工大学2020级硕士在读。本科就读于天津商业大学通信工程专业，主要研究内容为热零空间介质、热隐身及方向选择性热调控结构。在该项成果中负责热学透镜的手工制备与红外成像仪的测量部分。
陈韶婕，太原理工大学2021级硕士在读。本科太原理工大学光电信息科学与工程专业，当前在课题组研究方向为热零空间介质、热与电磁波双物理场隐身及新型散热器件。在该项成果中负责热超表面单元调试。
戴洪涛，太原理工大学2019级本科生（已保研至复旦大学）。主要研究内容为新型热学器件，方向性热调控及多物理场调控。目前已经基于研究成果在SCI二区的期刊《Case Studies in Thermal Engineering》（IF:6.268）上以第一作者身份发表论文，申请国家专利一项。在该项成果中负责整个测量环境搭建。
陈汉川，太原理工大学2019级本科生（已保研至本课题组）。以一作在中科院二区期刊《International Journal of Thermal Sciences》上发表论文1篇，参与发表署名SCI二区以上文章4篇，获批国家发明专利一项，获批国家实用新型专利一项。第二参与人获批山西省大学生创新创业训练计划项目一项，入选国家大创年会展示。获得全国大学生光电设计竞赛华北赛区二等奖，西门子杯智能制造挑战赛西部一赛区二等奖等。在该项成果中负责红外成像仪的测量。
文章信息：
Yichao Liu (刘一超), Kun Chao (晁坤), Fei Sun* (孙非), Shaojie Chen (陈韶婕), Hongtao Dai (戴鸿涛), Hanchuan Chen (陈汉川), Active Thermal Metasurfaces for Remote Heating/Cooling by Mimicking Negative Thermal Conductivity, Advanced Materials, 2023，https://doi.org/10.1002/adma.202210981
全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202210981
