Reconfigurable, zero-energy, and wide-temperature loss-assisted thermal nonreciprocal metamaterials

可重构性 热的 超材料 热传导 消散 热导率 材料科学 温度梯度 光电子学 机械 物理 计算机科学 热力学 电信 气象学 复合材料
作者
Min Lei,Peng Jin,Yuhong Zhou,Ying Li,Liujun Xu,Jiping Huang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:121 (44)
标识
DOI:10.1073/pnas.2410041121
摘要

Thermal nonreciprocity plays a vital role in chip heat dissipation, energy-saving design, and high-temperature hyperthermia, typically realized through the use of advanced metamaterials with nonlinear, advective, spatiotemporal, or gradient properties. However, challenges such as fixed structural designs with limited adjustability, high energy consumption, and a narrow operational temperature range remain prevalent. Here, a systematic framework is introduced to achieve reconfigurable, zero-energy, and wide-temperature thermal nonreciprocity by transforming wasteful heat loss into a valuable regulatory tool. Vertical slabs composed of natural bulk materials enable asymmetric heat loss through natural convection, disrupting the inversion symmetry of thermal conduction. The reconfigurability of this system stems from the ability to modify heat loss by adjusting thermal conductivity, size, placement, and quantity of the slabs. Moreover, this structure allows for precise control of zero-energy thermal nonreciprocity across a broad temperature spectrum, utilizing solely environmental temperature gradients without additional energy consumption. This research presents a different approach to achieving nonreciprocity, broadening the potential for nonreciprocal devices such as thermal diodes and topological edge states, and inspiring further exploration of nonreciprocity in other loss-based systems.
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