利用各向异性双曲激元增强和调制三体近场辐射换热

论文信息：

Haotuo Liu, Kezhang Shi, Kun Zhou, Qing Ai*, Ming Xie, and Xiaohu Wu*, Enhancement and modulation of three-body near-field radiative heat transfer via anisotropic hyperbolic polaritons, International Journal of Heat and Mass Transfer 208 (2023) 124081.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124081

成果简介

近日，山东高等技术研究院吴小虎教授和哈尔滨工业大学艾青教授合作，在杂志《International Journal of Heat and Mass Transfer》上发表了题为“Enhancement and modulation of three-body near-field radiative heat transfer via anisotropic hyperbolic polaritons”的研究性论文。

当两个物体的间距小于热特征波长时，近场辐射换热可以超出黑体辐射极限几个数量级，这种超普朗克热流因其巨大的应用潜力吸引了广泛关注。迄今为止，国内外众多学者致力于提高两个物体之间的近场辐射换热。对于两体纳米粒子系统，提高近场辐射传热的一个典型的方法是引入第三个物体。事实上，第三个物体的加入会改变原两体纳米粒子系统中的热激发涨落电磁场及能量密度分布。此外，由于多体作用的存在，两体纳米粒子系统间近场辐射换热会受到显著影响。与纳米粒子-平板系统相比，多体纳米粒子系统有许多独特的物理现象，如光子热霍尔效应、热泵效应等。以往的工作主要集中在各向同性多体纳米粒子系统中的近场辐射换热的增强。然而，由于材料的局限性，这种增强效果是有限的。与各向同性材料相比，各向异性材料在改善多体纳米粒子系统间近场辐射换热方面具有更大的潜力。特别地，各向异性纳米粒子中激发的局域双曲激元具有很强的方向性。因此，这使得通过机械旋转的方式来调制各向异性纳米粒子系统间近场辐射换热成为可能。

图文导读

图1 由三个α-MoO3纳米粒子组成的三体系统示意图。

图2 相对介电常数、极化率与角频率的关系。

图3 归一化/绝对近场辐射热导与旋转角度的关系。

图4 透射系数与角频率和旋转角度的关系。

图5 粒子垂直位移对归一化近场辐射热导的影响。

图6 粒子间距对归一化近场辐射热导的影响。

结论与展望

综上所述，本文以α-MoO3为例，实现了三体纳米粒子系统中近场辐射换热的有效调制。结果表明，在两个纳米粒子之间加入第三个纳米粒子可以使其间的近场辐射热导极大增强。这种增强效果可以通过旋转中间纳米粒子进行调制，并可以用各向异性局域双曲激元的耦合和失配来解释。此外，本文还讨论了粒子间距和垂直位移对近场辐射热导的影响。值得注意的是，当粒子间距和垂直位移分别为半径的4倍和1.2倍时，可以获得远超现有技术水平的调制系数（>20000）。该工作证明了各向异性双曲激元在多体系统中调制近场辐射换热的潜力。

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