导读
近日，我院祝雪丰教授课题组与浙江大学的李鹰研究员课题组合作，在热扩散体系非厄米趋肤效应方面取得重要进展，相关工作以“Observation of non-Hermitian skin effect in thermal diffusion”为题，于2024年3月2日在线发表在《Science Bulletin》上。物理学院博士生刘云开和浙江大学博士后曹培超为论文的第一作者，祝雪丰教授、彭玉桂副教授以及浙江大学李鹰研究员为论文的共同通讯作者。物理学院博士生高峰，浙江大学博士生祁铭鸿、黄强开来对该工作也有重要贡献。华中科技大学为该工作的第一完成单位。
研究背景
厄米系统向非厄米系统的研究范式转变，深刻地改变了拓扑系统的固有属性，产生了各种新奇的效应如非厄米趋肤效应(NHSH)。在过去的十年中，非厄米趋肤效应已经在量子、光学和声学系统中得到了论证。在波动系统之外，拓扑热扩散的研究近期也取得了系列进展。在扩散非厄米效应的理论基础上，扩散NHSE的实验证明，不仅可以为探索扩散系统中的非厄米物理提供一个可选的平台，而且在高效热量收集、高灵敏热传感等方面具有重要的潜在应用。然而由于在实现材料参数(如导热系数和质量密度)的精确调制方面存在的一系列挑战，扩散系统中非厄米趋肤效应尚未被观测到。
研究亮点
课题组基于前期在热扩散非厄米趋肤效应理论方面的研究积累[Commun. Phys. 2021, 4(1): 230.; Chin. Phys. Lett. 2022, 39(5): 057801.]，设计了一种具有非对称温度耦合的腔体模型。如图1所示，通过对结构参数的适当配置，两腔体之间的耦合系数可以被灵活的改变，从而构造出非对称的耦合系数D/a≠Da。通过本征温度场的计算可以发现，打破腔体间的互易性，可以得到非对称分布的本征温度场，且非对称因子a越小，温度场分布的非对称性越强。
图1：扩散趋肤效应与非对称耦合。
下一步，研究团队将具有不对称温度场耦合的腔体二聚体阵列形成SSH模型（图2a）。在该系统中，当非对称因子a≠1时，开边界条件下的特征值被周期性边界下的特征值环所包围，这表明了体边界对应被打破，揭示了扩散系统的非bloch体-边界对应。为了描述复平面能谱的环路特性，研究团队计算了卷绕数，W=-1意味着本征态在右侧边界呈现趋肤模式。此外，开边界条件下本征模的本征场分布（图2e）也印证了这一点。
图2：扩散SSH模型中的一维NHSE。
为了实验验证该理论设计，研究团队通过金属加工制备了图3所示的实验样品。为了减小空气对流对结构传热的影响，在真空腔中进行实验，并通过外加电路的方式对结构施加初始温度。通过对不同时刻结构上温度场的测量，可以发现，在施加初始温度之后，最高温度场区域不断的在向结构的右侧移动，并在120s左右到达结构的右侧边界，与模拟结果有极好的一致性。
图3：扩散NHSE的实验观测。
总结和展望
在这项工作中，研究团队通过在热晶格中引入温度场的胞内不对称耦合，可在扩散体系中观测非厄米趋肤效应。该项工作所提出的方法不仅适用于一维阵列，可进一步扩展到更高的维度，也可为通过对流等其他方法实现扩散趋肤效应提供启发。此外，该工作为扩散体系下的非厄米拓扑研究提供新平台，对设计具有高灵敏度和抗变形、缺陷的功能热器件提供了新思路。
