导读
2024年4月19日，华中科技大学祝雪丰教授和浙江大学李鹰教授联合团队在扩散系统中首次实现宇称-时间对称，相关成果以“Observation of parity-time symmetry in diffusive systems”为题发表于Science Advances杂志。该工作发表于Science Advances，曹培超（华中科技大学2022届博士，现为浙江大学博士后）为第一作者，李鹰教授、祝雪丰教授、陈红胜教授和彭玉桂副教授为共同通讯作者。Pei-Chao Cao, et al. Observation of parity-time symmetry in diffusive systems. Sci. Adv. 13, 65 (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn1746.
基于薛定谔方程和波动方程的形式等价性，宇称-时间(PT)对称可通过在厄米系统中精确地引入增益/耗散等非厄米势能建立，因此在波动系统中得到广泛研究。与波动系统不同，宏观热传导系统遵循傅里叶定律所导出的扩散方程，且传热过程不具有波动性不携带动量，与波动相关的如频率、振幅和相位等物理概念在热传导系统缺乏明确定义。但传热过程自身的耗散特性又使得在热传导系统中研究非厄米物理天然具备优势，因为其非厄米势能可通过改变结构扩散率等方式灵活调控。
为研究非厄米扩散行为，研究团队前期利用双环结构引入反向对流为温度场引入波动性并根据温度场波动解为频率、振幅和相位赋予物理含义，在热扩散系统等效构建了反宇称-时间(APT)对称（Science 364, 170）。发现温度场在模式简并点之前对称相动态局域，在简并点之后的APT对称破缺相由于较强的对流将不可避免相位振荡。但与之对应的PT对称一直被视为难以在热扩散系统直接构建，因为传热过程的耗散性决定了温度场间的耦合系数为纯虚无法满足PT对称所需类似波动场间的实数耦合，并且严格PT对称所要求的负热导率也并不存在。
研究亮点
在本文中，研究人员通过在耦合温度场间引入一个强辅助对流场（图1），当对流足够强时辅助对流场会快速衰减至暗态，其温度场可根据扩散方程被两耦合场替代，此时两耦合场间的虚数扩散耦合演变为实数对流耦合。为实现PT对称，可借鉴passive PT对两耦合结构引入不等的热导率，据此可进一步研究热扩散系统中的PT对称相变。由于辅助场的对流强度与实耦合强度成反比，其所带来的相位振荡可被有效抑制。
图1: 热扩散PT对称。(A) 热扩散PT对称的构建；(B) 热扩散PT对称相图；(C) 热扩散PT对称相位振荡抑制。
在实验中（图2），研究人员采用环结构引入空间周期分布的热场，通过机械驱动的方式引入对流，并利用材料各向异性设计为耦合环带来扩散率失谐。为抵消中间辅助环强对流带来的温度场整体相位偏移，可在两侧耦合环添加较小的反向对流。实验观测到PT对称相变前后的两环温度场相位差和振幅比所表征模式简并与劈裂，并发现无论在对称相还是对称破缺相温度场最高温位置均可保持不动，表明相位振荡得到较好抑制。
图2. 实验观测。(A) 实验结构；(B) 温度场相位振荡抑制；(C) (D) 温度场相位差和振幅比； (E) 末态温度场。
扩散系统实耦合机制的提出和PT对称的发现，以及温度场相位振荡的抑制为传热调控提供了新的范式，为温度场类波动效应研究开辟了新的路径，表明热扩散为研究非厄米物理的天然平台，该工作有望启发精确热管理理论发展和技术提升。
该研究获得了国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和中国博士后科学基金资助。祝雪丰教授团队长期致力于PT/APT对称物理效应及其应用研究，已在光学(Opt. Lett. 2013, 38, 2821，Opt. Express 2014, 22, 18401；Opt. Express 2015, 23，22274)、声学(Phys. Rev. X 2014, 4, 031042；Phys. Rev. Lett. 2018, 120, 124502)、热学(Science 2019, 364, 170; Sci. Adv. 2024, 10,eadn1746）和电学（Phys. Rev. Lett. 2022, 128, 065701)等领域取得系列成果。
