趙長(zhǎng)穎教授團(tuán)隊(duì)揭示譜空間相位奇點(diǎn)非對(duì)稱演化機(jī)制，并提出非互易熱輻射調(diào)控新方法
發(fā)布時(shí)間：2021-12-21   閱讀：1003

近日，上海交通大學(xué)趙長(zhǎng)穎教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際物理學(xué)期刊Physical Review Letters上發(fā)表“Evolution and nonreciprocity of loss-induced topological phase singularity pairs”研究論文，團(tuán)隊(duì)在非互易體系下，研究了損耗誘導(dǎo)的譜空間拓?fù)湎辔黄纥c(diǎn)的非對(duì)稱動(dòng)態(tài)演化，及其在打破熱輻射基爾霍夫定律方面的應(yīng)用。論文第一作者是博士生劉夢(mèng)琦，通訊作者是趙長(zhǎng)穎教授和新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授。

 

 

熱輻射的基爾霍夫定律表明：熱平衡條件下材料的發(fā)射率與吸收率相等e(λ,θ)=α(λ,θ)。這一定律指導(dǎo)著目前幾乎所有熱輻射器件的設(shè)計(jì)和開發(fā)。但實(shí)際上，基于該定律設(shè)計(jì)的熱輻射器件存在固有的能量損失，比如對(duì)于太陽(yáng)能吸收器，吸收器件從太陽(yáng)光中吸收多少比例的能量，吸收器本身也會(huì)向太陽(yáng)輻射相同比例的能量。因此，研究如何打破該定律，對(duì)于進(jìn)一步完善微納熱輻射理論、設(shè)計(jì)新型微納能源器件都具有重要意義。理論上，基爾霍夫定律根源于麥克斯韋方程組的互易性，研究如何打破發(fā)射/吸收的平衡，需關(guān)注如何打破時(shí)間反演對(duì)稱性(如利用磁性材料)，實(shí)現(xiàn)非互易熱發(fā)射。但目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)非互易性熱輻射的研究多依賴于較大的外部或內(nèi)部磁場(chǎng)條件，且很難在寬角度范圍實(shí)現(xiàn)完全打破基爾霍夫定律(|e-α|→1)。

 

 

圖1（左圖）拓?fù)湎辔黄纥c(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)制；（右圖）譜空間拓?fù)湎辔黄纥c(diǎn)的非對(duì)稱演化調(diào)控與系統(tǒng)輻射損耗的關(guān)系

 

研究團(tuán)隊(duì)利用磁光材料，通過研究由連續(xù)譜中的束縛態(tài)(BICs)分裂的拓?fù)湎辔黄纥c(diǎn)對(duì)（topological phase singularity pairs, TPSPs）在光譜-參數(shù)空間的非對(duì)稱特性，系統(tǒng)地揭示了材料損耗和輻射損耗，對(duì)非對(duì)稱TPSPs產(chǎn)生、演化和湮滅的影響機(jī)制，其高Q因子特性使得在低外加磁場(chǎng)條件下，也能觀察到很強(qiáng)的非互易性。特別地，不同于實(shí)空間的渦旋光和動(dòng)量空間的偏振奇點(diǎn)，由損耗誘導(dǎo)的存在于光譜-參數(shù)空間的相位奇點(diǎn)，作為一類新的拓?fù)涮卣鞅话l(fā)現(xiàn)：在光譜-參數(shù)空間相位圖上，環(huán)繞該點(diǎn)可得到整數(shù)的拓?fù)浜蓴?shù)；當(dāng)改變系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，這些奇點(diǎn)并不會(huì)突然消失，僅改變他們?cè)诠庾V-參數(shù)空間的位置。此外，通過控制系統(tǒng)參數(shù)，該項(xiàng)研究建立了非互易體系下，BICs的數(shù)目與角度位置的關(guān)系，保證了在寬角度范圍內(nèi)，對(duì)拓?fù)浔Ｗo(hù)的TPSPs的主動(dòng)調(diào)控。

 

圖2 基于非對(duì)稱拓?fù)湎辔黄纥c(diǎn)的非互易性熱輻射調(diào)控

 

該類奇點(diǎn)出現(xiàn)在反射強(qiáng)度為0的位置，根據(jù)能量守恒，意味著奇點(diǎn)處的吸收率/發(fā)射率為1。因此，上述非對(duì)稱相位奇點(diǎn)特性可直接應(yīng)用于非互易熱輻射器件的設(shè)計(jì)。利用非對(duì)稱的TPSPs，可以在多角度下實(shí)現(xiàn)完美的非互易性發(fā)射，并且全譜段抑制吸收。文中還系統(tǒng)對(duì)比了現(xiàn)有的非互易熱輻射器件的設(shè)計(jì)方法，并將TPSPs的相關(guān)發(fā)現(xiàn)推廣到外爾半金屬系統(tǒng)中。

 

該研究將非對(duì)稱的TPSPs，應(yīng)用于非互易熱輻射器件的設(shè)計(jì)，為打破基爾霍夫定律的理論和實(shí)驗(yàn)研究提供了新的方法。非互易性和拓?fù)涮匦缘慕Y(jié)合，產(chǎn)生了一些新奇的物理現(xiàn)象，也為微納熱輻射調(diào)控、新型熱輻射能源器件開發(fā)，磁光效應(yīng)增強(qiáng)，拓?fù)涑砻嬖O(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用研究提供了新的思路。

 

研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、重點(diǎn)國(guó)際合作項(xiàng)目、以及上海市重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的資助。趙長(zhǎng)穎教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于微納尺度熱輻射機(jī)理、實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用的相關(guān)研究，特別是在無序介質(zhì)及超材料/超表面的輻射機(jī)理、近場(chǎng)熱輻射理論與實(shí)驗(yàn)、相干散射、微納熱輻射能源器件設(shè)計(jì)與開發(fā)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，近年來在Physical Review Letters、Advanced Materials、Nano Letters、Annual Review of Heat Transfer、ACS Photonics、Physical Review Applied、Physical Review B、IJHMT等國(guó)際期刊發(fā)表了一系列研究性論文。

 

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.266101

供稿：工程熱物理研究所  
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