在現(xiàn)代集成電路和高頻通信等前沿科技領(lǐng)域，如何對狹小空間內(nèi)的熱量和電磁波進行高效、協(xié)同的管理，是決定設(shè)備性能與穩(wěn)定性的關(guān)鍵。近日，上海理工大學理學院變換熱學、統(tǒng)計物理與復雜系統(tǒng)研究中心莊鵬飛博士與合作者，提出了一種全新的“重標度Schwarz-Christoffel變換”方法，攻克了長期困擾多物理場超構(gòu)材料設(shè)計的“界面失配”難題。相關(guān)研究成果以“重標度Schwarz-Christoffel變換”（Rescaled Schwarz-Christoffel Transformations for Isotropic, Polygon, and Multiphysics Metamaterials）為題，于2025年11月17日發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。上海理工大學理學院是論文第一完成單位。論文通訊作者包括戴高樂博士（南通大學）、須留鈞博士（中國工程物理研究院研究生院）、黃吉平教授（復旦大學和上海理工大學）。
長期以來，基于共形變換理論的超構(gòu)材料設(shè)計雖然強大，但在應用結(jié)構(gòu)簡單的各向同性材料時，往往導致器件與環(huán)境界面處的能流（如熱流和電磁波）發(fā)生扭曲和失配，這極大地限制了其實際應用。針對這一難題，團隊提出的“重標度Schwarz-Christoffel變換”方法將兩種數(shù)學變換巧妙結(jié)合：首先利用經(jīng)典的Schwarz-Christoffel變換處理復雜的幾何形狀，引導能流的主體路徑[圖(a)]，再獨創(chuàng)性地引入重標度變換，對界面處的能流密度進行精確重構(gòu)和校準[圖(b)]。該方法實現(xiàn)了理論上的“完美匹配”，使得能流能夠平滑無損地進出功能器件。研究團隊基于該理論成功設(shè)計并數(shù)值驗證了熱-電磁協(xié)同擴展器(expander)、引導器(guider)和隱身斗篷(cloak)等多種功能器件，展示了該理論的普適性和有效性。
該研究突破了傳統(tǒng)共形變換理論在多物理場應用中的內(nèi)在局限，為僅使用各向同性材料設(shè)計高性能、多功能超構(gòu)材料提供了一套普適的理論框架。未來，該理論有望應用于芯片散熱、電磁兼容、高頻電路的熱-電磁一體化管理等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，為解決我國在高端集成電路和射頻系統(tǒng)中的“卡脖子”問題提供新的思路[圖(c)]。
論文原理圖
論文鏈接：https://doi.org/10.1103/nzvh-lxr8
