近日，上海交通大学赵长颖教授团队在国际物理学期刊Physical Review Letters上发表“Evolution and nonreciprocity of loss-induced topological phase singularity pairs”研究论文，团队在非互易体系下，研究了损耗诱导的谱空间拓扑相位奇点的非对称动态演化，及其在打破热辐射基尔霍夫定律方面的应用。论文第一作者是博士生刘梦琦，通讯作者是赵长颖教授和新加坡国立大学仇成伟教授。

热辐射的基尔霍夫定律表明：热平衡条件下材料的发射率与吸收率相等e(λ,θ)=α(λ,θ)。这一定律指导着目前几乎所有热辐射器件的设计和开发。但实际上，基于该定律设计的热辐射器件存在固有的能量损失，比如对于太阳能吸收器，吸收器件从太阳光中吸收多少比例的能量，吸收器本身也会向太阳辐射相同比例的能量。因此，研究如何打破该定律，对于进一步完善微纳热辐射理论、设计新型微纳能源器件都具有重要意义。理论上，基尔霍夫定律根源于麦克斯韦方程组的互易性，研究如何打破发射/吸收的平衡，需关注如何打破时间反演对称性（如利用磁性材料），实现非互易热发射。但目前，国内外****对非互易性热辐射的研究多依赖于较大的外部或内部磁场条件，且很难在宽角度范围实现完全打破基尔霍夫定律（|e-α|→1）。

图1（左图）拓扑相位奇点的产生机制；（右图）谱空间拓扑相位奇点的非对称演化调控与系统辐射损耗的关系
研究团队利用磁光材料，通过研究由连续谱中的束缚态(BICs)分裂的拓扑相位奇点对（topological phase singularity pairs, TPSPs）在光谱-参数空间的非对称特性，系统地揭示了材料损耗和辐射损耗，对非对称TPSPs产生、演化和湮灭的影响机制，其高Q因子特性使得在低外加磁场条件下，也能观察到很强的非互易性。特别地，不同于实空间的涡旋光和动量空间的偏振奇点，由损耗诱导的存在于光谱-参数空间的相位奇点，作为一类新的拓扑特征被发现：在光谱-参数空间相位图上，环绕该点可得到整数的拓扑荷数；当改变系统参数时，这些奇点并不会突然消失，仅改变他们在光谱-参数空间的位置。此外，通过控制系统参数，该项研究建立了非互易体系下，BICs的数目与角度位置的关系，保证了在宽角度范围内，对拓扑保护的TPSPs的主动调控。

图2 基于非对称拓扑相位奇点的非互易性热辐射调控
该类奇点出现在反射强度为0的位置，根据能量守恒，意味着奇点处的吸收率/发射率为1。因此，上述非对称相位奇点特性可直接应用于非互易热辐射器件的设计。利用非对称的TPSPs，可以在多角度下实现完美的非互易性发射，并且全谱段抑制吸收。文中还系统对比了现有的非互易热辐射器件的设计方法，并将TPSPs的相关发现推广到外尔半金属系统中。
该研究将非对称的TPSPs，应用于非互易热辐射器件的设计，为打破基尔霍夫定律的理论和实验研究提供了新的方法。非互易性和拓扑特性的结合，产生了一些新奇的物理现象，也为微纳热辐射调控、新型热辐射能源器件开发，磁光效应增强，拓扑超表面设计等方面的应用研究提供了新的思路。
研究工作得到了国家自然科学基金重点项目、重点国际合作项目、以及上海市重点基础研究项目的资助。赵长颖教授团队长期致力于微纳尺度热辐射机理、实验与应用的相关研究，特别是在无序介质及超材料/超表面的辐射机理、近场热辐射理论与实验、相干散射、微纳热辐射能源器件设计与开发等方面进行了系统深入的研究，近年来在Physical Review Letters、Advanced Materials、Nano Letters、Annual Review of Heat Transfer、ACS Photonics、Physical Review Applied、Physical Review B、IJHMT等国际期刊发表了一系列研究性论文。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.266101
文章来源：上海交通大学新闻学术网