MTP: 非互易窄带广角热辐射器

论文信息：

Jianshu Wang, Kezhang Shi, Xiaobo Xing. Nonreciprocal wide-angle and narrowband thermal emitter, Materials Today Physics, 46 (2024), 101515.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2024.101515

研究背景

自然物体的热辐射通常是非相干的，具有宽带宽和低方向性。调整热辐射的时间和空间相干性是一个重要的研究领域。 最近的研究表明，磁光（ MO ）材料或外尔半金属（ WSMs ）等非互易材料，其介电张量具有相反的非零非对角元，能够打破传统的基尔霍夫定律。这意味着物体的方向性光谱发射率可能偏离其方向性光谱吸收率，且发射率 / 吸收率在两个对称极化角下可能不同。一般而言，非互易材料可以用于制造非互易热辐射器，但它们的固有非互易特征通常较弱，难以被观察到。为了解决这一问题，研究人员将各种光学共振模式与非互易材料结合起来，以增强其非互易性。

然而，当前的非互易热辐射研究局限于窄带窄角、宽带窄角、或宽角度范围下的宽带特性。迄今为止，还未有工作实现同时具备广角和窄带特性的强非互易热辐射，而这对提高具有选择性波长的热光伏系统的能量转换效率至关重要。

研究内容

鉴于此，浙江大学史可樟与华南师范大学邢晓波等研究人员通过使用由磁光材料构成的周期结构，成功展示了一种能够同时实现广角和窄带特性的非互易热辐射器。

如 图1 和 图2 所示，在外加磁场 B = 3 T 的条件下，该辐射器在共振波长为6.52 µm处实现了从接近0°到89°范围内的强非互易热辐射。磁光效应下的局域共振使得该结构能够在广泛的极角范围内实现鲁棒的非互易热辐射。此外，研究还详细分析了在方位角 φ 从0°到360°范围内的非互易热辐射特性，展示了非互易宽角窄带热辐射器在φ方向上的定向热辐射特性。最后，研究证明了在优化的其他结构参数下，即使在 B = 1 T 的条件下，该辐射器在较长波长（如7.18 µm）仍具有增强的非互易热辐射能力。这项工作填补了广角窄带非互易热辐射领域的研究空白，为设计功能性非互易热辐射器的实验提供了指导，并在热管理、定向热隐身、高效热光伏系统等领域具有重要应用潜力。

图2. (a) 周期结构在无外加磁场情况下吸收率随波长和角度的变化。(b) 周期结构在3特斯拉磁场下的吸收率，(c) 在3特斯拉磁场下的发射率。(d) 使用(b)和(c)的数据计算出的3特斯拉磁场下的非互易性。(e)-(l) 显示在磁场B为3特斯拉、共振波长为6.52微米时，不同入射角（θ = -80°，-60°，-40°，-20°，+20°，+40°，+60°，+80°）下周期结构单元格的 |Hz| 分布。

该工作以“Nonreciprocal wide-angle and narrowband thermal emitter”为题发表在【Materials Today Physics, 46, 101515, 2024】。一作为华南师范大学硕士生王建树，通讯作者为浙江大学史可樟助理研究员和华南师范大学邢晓波教授。

作者简介

史可樟，浙江大学博士，任浙江大学宁波科创中心、及浙江大学光电科学与工程学院助理研究员、宁波市“甬江人才”、2024年PIERS国际学术会议、2024热物理多尺度模拟国际会议等热辐射分会主席、《热辐射研究生学术论坛》专家评委，以及Nature Communications, Nanophotonics等学术期刊审稿人。从事近场热辐射、非互易热辐射、近场热光伏等课题研究，迄今，在Advanced Materials, Nano Letters, PRL等期刊发表30余篇论文。主持宁波市项目若干项，参与国自然基金若干项，多次在国内、外学术会议/论坛作特邀报告，获2024年PIERS国际学术会议“Session Organizer Award”等奖项。

以下是作者近年来在非互易热辐射、近场热辐射等相关领域的研究工作：

[1]K Shi*, Y Sun, R Hu, S He*, Ultra-broadband and wide-angle nonreciprocal thermal emitter based on Weyl semimetal metamaterials,Nanophotonics, 13(5), 737-747, 2024.

[2]K Shi, Y Xing, Y Sun, N He, T Guo, S He*, Thermal vertical emitter of ultra‐high directionality achieved through nonreciprocal magneto‐optical lattice resonances, Advanced Optical Materials, 10 (24), 2201732, 2022.

[3] J W,K Shi*, X Xiao*, Nonreciprocal wide-angle and narrowband thermal emitter, Materials Today Physics, 46, 101515, 2024.

[4] J Wu, B Wu,K Shi, X Wu*, C Fu*, Strong nonreciprocal thermal radiation of transverse electric wave in Weyl semimetal, International Journal of Thermal Sciences, 187, 108172, 2023.

[5]K Shi,Z Chen, Y Xing, J Yang, X Xu, JS Evans, S He*, Near-field radiative heat transfer modulation with an ultrahigh dynamic range through mode mismatching, Nano Letters, 22 (19), 7753-7760, 2022.

[6]K Shi, Z Chen, X Xu, J Evans, S He*, Optimized colossal near‐field thermal radiation enabled by manipulating coupled plasmon polariton geometry, Advanced Materials, 33 (52), 2106097, 2021.

[7]K Shi,Y Sun, Z Chen, N He, F Bao, J Evans, S He*, Colossal enhancement of near-field thermal radiation across hundreds of nanometers between millimeter-scale plates through surface plasmon and phonon polaritons coupling, Nano letters, 19 (11), 8082-8088, 2019.

[8] K Shi,F Bao, N He, S He*, Near-field heat transfer between graphene-Si grating heterostructures with multiple magnetic-polaritons coupling, International Journal of Heat and Mass Transfer, 134, 1119-1126, 2019.

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