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【研究成果速递】PRL: 超构材料设计新方法

在现代集成电路和高频通信等前沿科技领域，如何对狭小空间内的热量和电磁波进行高效、协同的管理，是决定设备性能与稳定性的关键。近日，上海理工大学理学院变换热学、统计物理与复杂系统研究中心庄鹏飞博士与合作者，提出了一种全新的“重标度Schwarz-Christoffel变换”方法，攻克了长期困扰多物理场超构材料设计的“界面失配”难题。相关研究成果以“Rescaled Schwarz-Christoffel Transformations for Isotropic, Polygon, and Multiphysics Metamaterials”为题，于2025年11月17日发表在物理学期刊《Physical Review Letters》[Phys. Rev. Lett. 135, 216901 (2025)]。上海理工大学理学院是论文第一完成单位。论文通讯作者包括戴高乐博士（南通大学）、须留钧博士（中国工程物理研究院研究生院）、黄吉平教授（复旦大学和上海理工大学）。长期以来，基于共形变换理论的超构材料设计虽然强大，但在应用结构简单的各向同性材料时，往往导致器件与环境界面处的能流（如热流和电磁波）发生扭曲和失配，这极大地限制了其实际应用。针对这一难题，团队提出的“重标度Schwarz-Christoffel变换”方法将两种数学变换巧妙结合：首先利用经典的Schwarz-Christoffel变换处理复杂的几何形状，引导能流的主体路径[图1(a)]，再独创性地引入重标度变换，对界面处的能流密度进行精确重构和校准[图1(b)]。该方法实现了理论上的“完美匹配”，使得能流能够平滑无损地进出功能器件。研究团队基于该理论成功设计并数值验证了热-电磁协同扩展器(expander)、引导器(guider)和隐身斗篷(cloak)等多种功能器件，展示了该理论的普适性和有效性。该研究突破了传统共形变换理论在多物理场应用中的内在局限，为仅使用各向同性材料设计高性能、多功能超构材料提供了一套普适的理论框架。图1：(a-b)基于重标度Schwarz-Christoffel变换实现多物理场协同调控的原理与(c)潜在应用。论文链接：https://doi.org/10.1103/nzvh-lxr8

2025-11-19
【研究成果速递】PRC：中子-质子有效质量劈裂的有效约束

近日，理学院物理系教师宋一丹指导研究生罗闽斯在中子–质子有效质量劈裂约束研究方面取得了进展，相关成果以题为“Constraining neutron-proton effective mass splitting from nuclear giant dipole resonance data within a transport approach”发表在物理学期刊 Physical Review C 上。本研究基于拓展的 LBUU 输运模型，选取了一系列具有代表性的 Skyrme 有效相互作用势，系统性地探究了饱和密度下“同位旋矢量单核子有效质量”及“核物质介质中核子–核子散射截面”对重核208Pb的同位旋矢量巨偶极共振观测量的影响。本研究创新性地引入了贝叶斯分析方法，揭示了巨偶极共振观测量与核物质相关性质之间的内在联系，从而提取出有效质量结果，并有效约束了饱和密度下中子–质子有效质量劈裂。在丰中子核物质中，中子–质子有效质量劈裂与核物质状态方程密切相关，在宇宙早期演化过程中的中子–质子比、中子星冷却、稀有同位素结构形成以及重离子碰撞的动力学演化等方面均发挥着重要作用。本研究通过原子核巨偶极共振观测量，有效地约束了中子–质子有效质量劈裂的性质，为理解核物质的微观结构和天体物理过程提供了新的理论支撑。图1: 贝叶斯分析中的先验分布与后验分布图图2: 不同方法得到的有效质量劈裂结果之间的比较论文链接：https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/lhzf-93v1

2025-11-07
【研究成果速递】SIAM Journal on Applied Mathematics：揭示渔业崩溃新机制！

近日，理学院数学与生命科学交叉研究中心原三领教授团队在渔业生态系统动力学研究领域取得进展。该成果重新审视了人类活动（捕捞）对渔业生态系统的影响，对渔业资源管理与可持续发展具有重要意义，为管理实践提供了全新视角。相关成果以“Fast anthropogenic environmental change can cause the collapse of fishery ecosystems（快速人为环境变化可导致渔业生态系统崩溃）”为题，发表于应用数学领域国际期刊《SIAM Journal on Applied Mathematics》。博士研究生杨安计为论文第一作者，原三领教授为通讯作者，合作者为亚利桑那州立大学康云教授。该研究创新性地构建了包含食饵与捕食者种群的休闲渔业动力学模型，揭示了捕捞强度增加速度对生态系统稳定性的决定性作用。团队通过严格数学分析，量化了不同初始种群规模下引发系统稳态转换的捕捞压力增速的临界阈值，突破了传统静态管理模型的局限。基于临界阈值理论，该研究进一步建立了多级渔业崩溃预警指标体系，提出了渔业管理新范式。该理论为渔业资源管理提供了"速度管控"这一全新动态决策维度，对应对气候变化背景下日益频繁的人类活动干扰具有重要的实践意义。图1：捕鱼强度的不同增加速率会导致模型的解轨迹最终趋向不同。图2：捕鱼强度的不同增加速率下吸引域的形状变化过程。增加速率越快，低生物量平衡点的吸引域就越大。图3：食饵鱼类种群密度下降的警告级别。红色区域表示一级崩溃警告；红色加上橘色区域表示二级警告；红色、橘色和黄色区域表示三级警告；红色、橘色、黄色和蓝色区域表示四级警告。论文链接：https://epubs.siam.org/doi/full/10.1137/24M1693052

2025-10-15
【研究成果速递】Chaos: 应对气候变化，提出碳排放动态调控新策略！

近日，理学院数学与生命科学交叉研究中心原三领教授团队在碳减排研究领域取得进展。面对全球气候变化这一人类社会面临的严峻挑战，团队创新性地构建了随机碳排放模型，并在此基础上系统研究了其拟最优控制问题。相关成果以“Dynamical analysis and near-optimal control strategy of a stochastic carbon emissions model”为题，发表于非线性科学领域的权威期刊《Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science》[Chaos 35, 103103 (2025)]。博士研究生王欣欣为论文第一作者，原三领教授为通讯作者，合作者为澳大利亚斯威本科技大学张同华教授。能源相关排放是全球二氧化碳排放的主要来源，有效控制此类排放对于应对气候变化尤为关键。传统碳排放模型往往未充分考虑环境噪声对系统的影响，然而在实际中，二氧化碳排放过程与能源系统常受到诸多随机因素的干扰。针对这一问题，研究团队提出了随机碳排放模型并研究了其对应的拟最优控制问题。研究表明，有效的减缓策略需要兼顾生态可持续性和经济可行性。从政策制定者的角度出发，团队强调了根据经济发展不同阶段动态调整减排措施的重要性。这种适应性决策，可以在保证经济和生态可持续性的同时，有效缓解气候问题。该成果获得了审稿人的高度评价：“The manuscript addresses an important and timely issue-mitigation of carbon dioxide emissions in the context of energy generation, population dynamics, and environmental stochasticity. The authors extend an existing model into a stochastic framework, which represents a meaningful advancement in the field. The consideration of a stochastic carbon emissions model, coupled with near-optimal control strategies, adds significant value to both theoretical research and practical policy-making. The work is well-motivated and methodologically sound. （该论文处理了一个重要且及时的问题——在能源生产、人口动态和环境随机性背景下推进二氧化碳减排。作者将现有模型拓展至随机框架，是该领域一项有意义的进展。考虑随机碳排放模型，结合近最优控制策略，对理论研究和实践决策都有重要价值。这项工作的研究动机明确，方法严谨。）”图：模型拟合曲线与真实数据的对比。论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0292883

2025-10-09
【研究成果速递】Chem. Rev.：拓扑扩散学——驾驭物质与能量传输的新范式

近日，上海理工大学理学院变换热学、统计物理与复杂系统研究中心黄吉平教授作为通讯作者，在Chemical Reviews期刊发表了题为“Topology in Thermal, Particle, and Plasma Diffusion Metamaterials(热、颗粒与等离子体扩散超构材料中的拓扑学)”的长篇综述。Chemical Reviews作为美国化学会的旗舰综述期刊，其影响因子长期位居世界前列（2024年影响因子为55.8），以发表兼具深度与前瞻性的综述而著称。上海理工大学理学院是该综述论文的合作完成单位。在我们周围的世界里，扩散无处不在——小到一滴墨水在清水中晕开，大到热量在芯片中传导，本质上都是物质或能量自发从高浓度区域向低浓度区域扩散的过程。它是自然界中最基本的传输现象之一。那么，能否像指挥交通一样，精确地“驾驭”这些扩散过程呢？扩散超构材料的出现让这个设想成为可能。这类经过特殊设计的人工材料，拥有天然材料所不具备的奇特性质，能够对热流、颗粒流等进行前所未有的精确操控。与此同时，一个看似无关的数学分支——拓扑学——正悄然改变着我们对物理世界的认识。它最初研究的是物体在连续变形下保持不变的性质（比如一个甜甜圈与一个带柄咖啡杯在拓扑上是等价的），如今已成为凝聚态物理领域的前沿热点，并催生了获得诺贝尔物理学奖的研究成果（2016年）。当扩散超构材料的精准控制能力，与拓扑学固有的“坚固”特性相遇，一场技术革命便拉开了序幕。这两者的结合，为我们理解和控制质量与能量的传输，提供了一个突破性的全新框架。这篇综述探讨的，正是这个飞速发展的新兴领域——基于拓扑扩散超构材料的拓扑扩散学（图1）。为什么说它特别重要？关键在于“稳健性”。拓扑原理的引入，使得基于它设计的扩散系统对外界的干扰和缺陷具有极强的“免疫力”。这意味着，无论是热管理、颗粒输运还是等离子体控制，系统都能保持稳定、精确的运行，这对于实际应用至关重要。这个领域的理论基础，融合了拓扑物理的基本原理和扩散超构材料的核心理论（如变换理论等）。本文将系统梳理这些知识，并展望其在化学、生物、医学工程等多学科领域的广阔应用前景：从微型芯片的高效散热，到精准送达病灶的靶向药物，再到半导体制造中的精密等离子体刻蚀，拓扑扩散超构材料有望带来颠覆性的控制能力。图1. 拓扑扩散学(topological diffusionics)的学科地图。论文信息: Liu et al., Chem. Rev. 2025, 125, 8655−8730论文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.4c00912

2025-09-26
【研究成果速递】CHAOS SOLITON FRACT：通过市场价格调控应对环境随机波动下渔业管理新策略

近日，理学院博士研究生赵晨霞在原三领教授的指导下，在渔业经济系统的随机建模与分析方面取得进展。研究团队基于随机微分方程与动力系统理论，创新性地构建了一类耦合渔业生态与市场经济的随机动力学模型，深入分析了环境随机性对渔业资源可持续性和市场稳定性的影响，揭示了随机干扰下渔业资源与市场协同演化的动态机制。相关工作发表于国际期刊《Chaos, Solitons and Fractals》（中科院一区，Top期刊），赵晨霞为论文第一作者，原三领教授为通讯作者，合作者为杨安计博士和澳大利亚斯威本科技大学张同华教授。研究表明，环境随机性对渔业-经济耦合系统具有“双刃剑”效应：适度的市场噪声可降低捕捞压力，促进资源恢复；而过强的资源噪声则会直接导致系统崩溃。同时，决策者可通过调控市场价格参数有效缓解环境随机性带来的负面影响，为渔业资源的可持续管理提供了理论依据与策略支持。该成果不仅深化了对随机环境下渔业经济系统耦合机制的理解，也为渔业政策的制定提供了量化工具与决策支持，尤其在应对气候变化、市场波动等不确定性因素方面具有理论与应用价值。论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960077925002553

2025-09-25

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