四川
超快热切换技术在高速电子器件、动态冷却系统和热光学调制等领域中具有重要应用，但传统基于声子传热的热切换设计受限于较长的响应时间，无法满足纳米级和超快场景的需求。本研究提出了一种基于瞬态极化子的超快热切换机制，利用泵浦驱动的瞬态极化子，实现了在皮秒级别上的热传递动态调控。研究设计了一种非对称热端配置，通过飞秒激光激发WSe2材料中的极化子，显著提高了热切换效率。实验和理论表明，该系统的热切换比超过10,000，相比传统设计提升了两个数量级。此外，
该机制还展示了WSe2的激光冷却效应和双曲色散特性，进一步拓展了其在纳米级热管理中的应用潜力。相关成果以Ultrafast thermal switching enabled by transient polaritons为题发表在ACSNANO上。
图1瞬态极化子热切换机制示意图(a)设计原理：该机制涉及不对称终端，其中发射器中的光激发载流子（Δn）会诱发瞬态中红外响应，该响应在光谱上与接收器对齐。这种对齐会导致强极化子耦合，从而激活以前不可用的辐射换热通道；(b)实际演示的可行配置：将WSe2视为发射器，将石墨烯视为接收器，两者之间由真空间隙隔开；(d)在“开启”状态下（左图），发射器的光泵浦会产生极化子耦合（Qon)，这与没有发生耦合（Qoff）的“关闭”状态（右图）形成对比。
图2瞬态极化子动量-能量分布及WSe2介电张量演化(a)模型中的基本光学泵浦过程示意图；(b)在400 K激发载流子密度为3.2 × 1019 cm−3时，WSe2的(i)平面内和(ii)平面外介电张量分量的实部随时间和频率的演化。白色垂直虚线表示延迟时间为5、50、100和300 ps；(c) 5 nm厚的WSe2薄膜中极化子色散随延迟时间的演化。
图3 WSe2-石墨烯系统中的超快热切换；(a) 温差ΔT为100和500 K条件下，热辐换热通量在开-关循环中的变化，展示了热通量随激光周期消退的特性；(b) 不同时间延迟下辐射换热通量的光谱分解；(c) 相应的光子传输概率轮廓图作为频率和波矢的函数，白色虚线表示真空光线；(d) 图表比较了基于瞬态极化子的设计和现有设计中的热切换比率r与响应时间τ。
图4超快热切换的激光冷却效果和可调性能；(a)吸收能量密度与辐射换热通量的比率（η）随载流子密度（nx）和静态温差（ΔT）变化的关系图。黑色虚线表示η = 1，η< 1（蓝色区域）表示激光冷却；(b)开启和关闭状态辐射换热通量的分布，以及相应的开关比（r）随ΔT的变化。
本研究通过实验与理论结合，揭示了瞬态极化子在超快热切换中的关键作用。具体而言，在飞秒激光泵浦下，WSe2单层材料中的瞬态极化子实现了皮秒尺度内热流密度的动态调控，峰值热流密度达到104 W/m2。此外，热切换比超过10,000，显著优于现有的热切换技术。研究还发现了WSe2的双曲色散特性，表现为平面内和垂直方向介电常数的显著差异，这种特性进一步增强了系统的热传递调控能力。同时，通过激光冷却效应，成功实现了WSe2材料温度的快速降低，为动态冷却提供了新思路。未来可结合阿秒激光脉冲与高级材料设计，能够进一步提升瞬态极化子的动态响应性能。此外，发展更高精度的测量技术验证这些机制在实际应用中的稳定性与可行性，将是实现这一技术广泛应用的重要方向。这项研究不仅为超快热切换开辟了新路径，也为未来高速电子器件和纳米冷却系统的发展奠定了理论与技术基础。
论文信息:Yang B, Song B, de Abajo F J G, et al. Ultrafast Thermal Switching Enabled by Transient Polaritons. ACS Nano, 2024. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c14188
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