线性莫尔热输运中的局域耗散：无需非线性的几何调控新范式

《Nature Communications》：Localized dissipation in linear moiré heat transport

本文解决了如何在无动量、纯扩散的线性热传导系统中实现莫尔物理效应的难题。研究人员通过设计具有空间调制热导率的双层扭转结构，在无需非线性相互作用的情况下，首次实现了莫尔诱导的热局域化现象。该研究为几何编程非平衡热输运控制提供了新途径，对微流体、化学及生物扩散系统的调控具有重要启示意义。

　　

在凝聚态物理和光子学领域，莫尔 superlattice（超晶格）已成为调控关联效应和拓扑相的强大工具。通过精确控制两层材料间的扭转角（twist angle），研究人员能够创造出新颖的干涉图案，从而改变材料的电子能带结构，甚至诱导出超导等奇异物性。然而，这些令人瞩目的成就大多建立在非线性相互作用的基础上——无论是电子间的强关联，还是光子系统中的克尔非线性（Kerr nonlinearity）。热传导，作为一种本质上是扩散的、无动量的物理过程，其线性拉普拉斯算子似乎与莫尔物理所需的干涉效应格格不入。这引发了一个根本性问题：能否在静态、线性、无动量的纯扩散系统中实现莫尔物理？

近日，由东南大学徐国强、新加坡国立大学仇成伟教授等领导的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究，他们成功地在双层线性热传导系统中实现了莫尔诱导的热局域化，无需借助任何非线性耦合或主动流动。该研究通过精心设计具有空间梯度热导率的单元结构，并对其进行扭转堆叠，构建了具有可编程热输运特性的莫尔超晶格界面。

研究人员采用的关键技术方法主要包括：1） 基于环氧树脂基板的空间梯度热导率结构设计，通过调控散热鳍片高度实现κ_A= 10 W·m^-1·K^-1和κ_B→ 0的交替分布；2） 满足毕达哥拉斯三元组（Pythagorean triples）和非毕达哥拉斯角（non-Pythagorean angles）的精确扭转角控制（22.62°、36.87°和30°）；3） 采用热脉冲点源（thermal pulsing point source）激发温度波（f_inc= 150 Hz），通过红外热成像记录界面温度场分布；4） 基于傅里叶数（Fourier number, Fo）和积分形态因子（integral form factor, χ）的定量分析框架。

莫尔超晶格的构建原理

研究团队首先设计了一种四站点元胞（four-site unit cell）作为基本单元，每个站点具有径向各向异性的热导率分布κ(r)。通过周期性排列这些元胞，构建了具有空间调制热导率的单层导电膜。当两层这样的薄膜以特定扭转角φ堆叠时，界面处会产生莫尔调制：κ(r) + κ(r′) → κ(r)(e^i(k_x+k_y)+ e^{i(k′_x+k′_y)})。该干涉效应形成了两种特征波矢：全局周期性的k_moire= (k+k′)/2和调控单元内部结构的k_mod= (k-k′)/2。

可调谐的莫尔图案与热输运特性

在满足毕达哥拉斯关系的扭转角（36.87°和22.62°）下，系统形成周期性的莫尔超晶格，其单元胞内产生显著的热导率梯度，驱动热流形成顺时针或逆时针涡旋（conductive vortices）。而在非毕达哥拉斯角（30°）下，系统呈现准周期（quasiperiodic）结构，其有效晶格常数显著增大，导致更强的各向异性和更复杂的热流旋转模式。傅里叶数分析表明，非毕达哥拉斯角下的热输运过程明显受到抑制，这与增大的晶格常数和缺陷密度直接相关。

热局域化与能带调控

通过施加沿z方向传播的温度波激励，研究人员观察到截然不同的热输运行为。在周期性莫尔超晶格中，非平坦能带（non-flat bands）支持热量的扩展传输，温度场快速扩散至整个界面。而在准周期结构中，超平坦能带（ultra-flat bands）的出现导致群速度近乎为零，热量被强烈局域在激发源附近。积分形态因子χ的定量分析证实，非毕达哥拉斯角下的χ值显著高于周期性结构，表明更强的局域化程度。

能量阈值驱动的相变

研究还发现，局域化-去局域化转变存在临界频率阈值。当入射温度波的波数k_z超过临界值k_z,0∝ (4π/l_s)²时，莫尔约束效应显著增强，导致热局域化。这一阈值与莫尔晶格常数直接相关，晶格常数越大，激活相变所需的入射频率越高。

这项研究首次在纯扩散系统中实现了莫尔物理的线性调控，突破了传统莫尔效应依赖非线性相互作用的限制。通过几何设计即可编程控制热输运的局域化行为，为微流控、化学梯度调控和生物分子传输等扩散主导的系统提供了新的操控维度。该工作建立的理论框架和实验平台，为探索耗散系统中的几何物理开辟了新途径。