导读

近日，来自美国加州理工学院的Harry A. Atwater等成功展示了一种新型的宽带非互易性热辐射控制技术，该技术通过利用外部磁场调节梯度ε-近零(ENZ) InAs层的热辐射特性，实现了在红外透明窗口内的非互易性热辐射和吸收。这项工作不仅在理论上具有创新性，而且其结果对于热辐射管理和光子能量转换等实际应用具有重要的潜在价值。该成果发表在国际顶尖期刊《Light: Science & Applications》，题为"Broadband nonreciprocal thermal emissivity and absorptivity"。

研究背景

在热辐射和光子能量转换领域，实现对热辐射的非互易控制对于推动热力学极限和辐射制冷技术具有重要意义。了解和控制物体在不同方向上的热辐射特性对于能量转换效率的优化和热管理系统的设计等多种应用至关重要。现有的热辐射研究主要集中在窄带光谱或远红外波段之外，由于它们未能覆盖与实际应用密切相关的宽波段，导致这些研究在实际应用中受到限制。在实际的工程和科学问题中，为了实现更有效的热管理和能量转换，需要在宽光谱范围内对热辐射特性进行精确控制。传统的热辐射控制方法依赖于材料的固有属性，这些属性往往在宽波段内变化不大，难以实现所需的非互易性。此外，这些方法通常不适用于具有复杂光学特性的系统，如那些需要在非平面或非均匀介质中操作的系统。

为了克服在宽波段内实现非互易性热辐射控制的挑战，研究者们采用了梯度ε-近零(ENZ) InAs层结构，并通过调整各层的电子自由载流子浓度，实现了在12.5mm至16mm的红外透明窗口内的宽带非互易性。这种结构设计使得共振波长可以通过改变层的载流子浓度来调节，从而在所需的光谱范围内实现非互易性。

研究亮点

本研究的创新之处在于展示了一种能够在宽带光谱范围内实现非互易性热辐射率和吸收率的方法。通过利用梯度ε-近零(ENZ) InAs层结构，并结合外部磁场的调控，研究者们能够在12.5mm至16mm的红外透明窗口内实现非互易性，这一频谱范围对于热辐射控制和光子能量转换具有重要意义（如图1）。

图1. 梯度ENZ结构示意图

研究中使用的ENZ结构设计是另一大亮点。通过精确控制每层的电子自由载流子浓度，研究者们能够在宽光谱范围内实现发射率和吸收率的非互易性调控。这种设计不仅提高了调控的灵活性，还为实现不同方向上的热辐射控制提供了可能。

通过外部磁场对ENZ层的介电张量进行调控，研究者们观察到了发射率和吸收率的相反调节效应，这一发现对于理解和设计非互易性光子器件具有重要的科学意义。此外，这种调控方法的非互易性特性，为实现新型热辐射管理和能量转换设备提供了新的思路（如图2-4）。

图2. 不同外部磁场值（-1 T, 0 T, 和 +1 T）在θ= 60°下测量的吸收率

图3. 在12.5 mm至15 mm的光谱带宽内，从-1 T到+1 T磁场变化时，发射率和吸收率的平均变化

图4. 在θ= 60°下不同外部磁场发射率光谱的模拟（a）和实验（b）,观察到短波长模式的调节更强，这与结构表面附近层的共振峰相对应

研究中开发的测量技术也是一个重要的创新点。通过结合使用J.A. Woollam IR椭圆偏光仪和自制的角度分辨热辐射光谱仪，研究者们能够对发射率和吸收率进行精确测量，这些测量结果对于验证理论模型和模拟预测至关重要。

前景展望

本研究提出的非互易性热辐射控制技术有望进一步推动热辐射控制和光子能量转换技术的发展。研究者们计划通过优化ENZ结构的设计和外部磁场的调控策略，提高系统的调控精度和效率。此外，通过结合先进的光谱分析技术和自动化处理平台，这项技术有望成为一种高通量的生物力学测试工具，用于大规模的生物医学和药物开发研究。

随着技术的成熟和优化，预计这项技术将被广泛应用于监测细胞生理和病理状态下的力学变化，尤其是在癌症研究、再生医学和组织工程领域。此外，结合机器学习和人工智能算法，这一技术将能够提供更深入的生物力学数据解析，推动精准医疗和个性化治疗策略的发展。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01520-3