四川
论文信息：Sina Jafari Ghalekohneh, Changkang Du, and Bo Zhao, Controlling the contrast between absorptivity and emissivity in nonreciprocal thermal emitters, Applied Physics Letters 124, 101104 (2024).
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0187105
研究背景
传统的基尔霍夫定律指出，在给定的方向、频率和极化条件下，发射率和吸收率是相等的。近年来，非互易热发射器的最新研究进展对传统的基尔霍夫定律提出了挑战，基于非互易材料的热发射器可以打破传统基尔霍夫定律，展现了前所未有的热光子调控能力。然而，目前的研究主要集中在增加发射率和吸收率之间的对比度的幅值，而很少关注如何控制对比度的符号或带宽。
研究内容
如图1所示，研究了放置在Ag基底上Weyl半金属的非互易热辐射，图1(a)显示了在Ag基底上的单层Weyl半金属发射器的|η|。当布鲁斯特模态被激发时，在6μm附近的非互易行为被增强。通过耦合模式理论对此现象进行了解释。此外，η在入射角为85°的主导波长范围内为正数，这也适用于其他布鲁斯特模式的波长和角度范围内的结果。这些特性不能轻易地通过改变薄膜的厚度来调整，如图1(b)所示。于是想到使用模态耦合，这样η的符号就可以根据不同波长的需要进行控制。于是使用相同的结构，但将2b的方向沿着z方向翻转，如图1(c)所示。可以发现轮廓的整体形状与图1(a)的系统相同，η的符号刚好是图1(a)翻转后的，但η仍然缺乏可调性。我们提出了图1 (d)所示的发射器，它承载了上述两种对比度相反的布鲁斯特模式。可以看到两种模态的耦合可以有效地改变η在6.3μm附近的符号，使η在波长6.2 μm~ 6.4 μm和角范围大于65°的范围内为正。因此，该耦合可以在这个波长和角范围内独立地控制η的符号。
图1 吸收率和发射率的对比度：(a) Ag基底上放置Weyl半金属薄膜，其外尔节点沿着z方向；(b) 与(a)结构相似，此时Weyl半金属薄膜的厚度增加了一倍；(c)Ag基底上放置Weyl半金属薄膜，其外尔节点沿着-z方向；(d)两层Weyl半金属薄膜放置在Ag基底上，顶层Weyl半金属的外尔节点沿着z方向，而第二层Weyl半金属薄膜的外尔节点沿着-z方向。
图2 (a)图1(a)中结构的反射率；(b) 图1(c)中结构的反射率；所示两者的计算的入射角均为85°.对于这两种情况，耦合模理论预测使用星符号叠加在图上。
为了进一步说明通过模态耦合的带宽调谐能力，我们引入了一个基于磁光材料InAs的可以支持宽带非互易特性的系统，如图3所示。
图3 (a)不同掺杂水平的多层InAs的吸收率和发射率的对比。较浅的阴影代表较低的掺杂水平，而较深的阴影代表较高的掺杂水平。(b)当插入10μm Ge层，以及(c)插入20μm Ge层时，吸收率和发射率的对比。
结论与展望
总之，本文证明了模态耦合在控制非互易辐射特性方面的能力。通过耦合模式产生相反的符号，可以有效地控制带宽、方向、符号以及吸收率和发射率之间的对比度大小。未来将进一步探索，以提高非互易热辐射中η的大小。并且与本研究中描述的方法相结合，显著提高广泛应用的非互易辐射特性的能力，使得非互易热光子学向前迈出的实质性一步。
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