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
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上海交大赵长颖教授团队揭示谱空间相位奇点非对称演化机制,并提出非互易热辐射调控新方法
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