近日，研究院李天龙青年科学家工作室在动态热输运调控领域取得重要进展。研究团队构建了一种电驱动热孤子脉冲体系，实现了热场的波状传输以及热孤子脉冲的定向传播，为热量的动态组织、局域能量传输与热信息调控提供了新的实现路径。相关研究成果以《Electronically Driven Soliton-like Thermal Pulses》为题，发表于 Nature Communications。
研究背景
孤子是波动系统中一类能够在传播过程中保持局域形态的自维持波包，通常由非线性与线性色散、衍射等效应的平衡形成，在流体、光学和固体物理等领域具有重要意义。相比之下，热传输本质上属于扩散过程，局域温度扰动通常会迅速展宽并衰减，因此难以像波那样实现稳定传播，更难同时兼顾“传播”与“局域保持”两种特性。长期以来，这一物理限制制约了热量在远距离定向传输、动态热管理及信息承载等方面的进一步发展。
近年来，非厄米热物理的发展不断拓展人们对热输运的认识，但现有研究多集中于静态热调控或持续衰减的扩散模态，能够实现动态传播且保持局域特征的热脉冲仍十分罕见。如何在扩散体系中协调热的运动性与局域性，构建可编程、可重构的动态热输运机制，是该领域面临的重要挑战。
成果简介
针对上述难题，研究团队设计并搭建了由多个热单元组成的可编程热电超调控平台。每个单元均集成热电耦合器，可依据相邻单元的实时温度和预设耦合规则，主动输出加热或制冷功率，从而实现非互易热耦合与非线性热耦合。
在该体系中，研究团队首先利用非互易耦合构建出等效“伪对流”机制，使静止材料中的温度场获得类似运动背景中的定向拖拽能力，表现出波状传播特征；进一步引入非线性后，热脉冲在传播过程中可显著抑制扩散导致的展宽与衰减，形成具有“孤子”特征的局域热波包。实验结果表明，该体系不仅可实现热非厄米趋肤效应和类波状热输运，还能够实现单脉冲传播及双脉冲追逐碰撞等丰富现象。与普通线性扩散相比，这种热孤子脉冲在传播距离、局域性保持和抗扩散畸变方面均表现出明显优势。
该研究表明，电驱动的主动耦合架构能够突破传统热扩散“易弥散、难组织”的固有局限，为热量的时空编排和定向输运提供新机制，也为动态热管理、片上热信息传递、智能热器件、可重构热功能系统，以及机器人热调控与热交互应用提供了新的技术基础。论文进一步指出，该架构未来有望结合三维打印热电材料和嵌入式电子系统，推动主动热调控系统在高集成热管理、智能机器人、柔性电子和功能热系统等方向实现更广泛应用。
图文导读
图1 可编程热电调控系统的设计与热输运机理
研究团队提出了一种基于热电耦合器的可编程热电调控系统。传统扩散体系中的热量通常表现为各向弥散和局域衰减，缺乏定向传播能力；而在该体系中，通过引入非互易热耦合，可在静止介质中构建等效“伪对流”，使温度场表现出类似波的定向移动特征；进一步叠加非线性耦合后，可形成具有类孤子的传播特征的局域热脉冲。
图2 非厄米热系统中的波状热传输
在不引入非线性的情况下，该动态热调控体系可等效映射为一维非厄米链。研究表明，在开边界条件下，热峰会持续向主导耦合方向迁移，体现出显著的热非厄米趋肤效应；在周期边界条件下，系统则可支持类波状热传输，表现出温度场在空间和时间上的连续移动。这说明主动非互易耦合能够赋予扩散体系以类似波动传播的行为。
图3 热孤子脉冲的实验验证
在进一步引入非线性耦合后，系统可支持局域热脉冲的长距离传播。实验结果证实，在开放边界下，单个热脉冲会沿设定方向传播并最终停驻于边界，而在周期边界下，热脉冲可实现多圈循环传播，并在双脉冲作用下呈现追逐与碰撞等典型动力学行为。
研究院李天龙教授和新加坡国立大学仇成伟教授为论文共同通讯作者。研究过程中，韩杰才校长、赵杰教授和张幸红教授给予了重要指导与宝贵建议。该研究获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划，以及新加坡教育部、新加坡国家研究基金会等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/S41467-026-72201-5
文稿：王琳，责任编辑：孙铭锌，审核：徐榕滨
