ACS Photonics: 通过非互易基底调控粒子间近场热辐射

论文信息：

Ziqi Yu, Xiaopeng Li, Hyung-Suk Kwon, Taehwa Lee, and Hideo Iizuka.Significantly Reduced Rotation Frequency for Controlling Near-Field Heat Transfer between Rotating Objects by a Nonreciprocal Substrate,ACS Photonics 2024, 11, 4865−4872

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c01379

研究背景

控制近场辐射热传输对于热光电伏、热测量、热成像与管理等应用领域的突破至关重要。近年来，研究进展显著，包括时间调制、旋转纳米结构、移动衬底、以及通过合成场调谐的量子谐振器等主动方法，这些方法展示了在被动系统中难以或未曾观察到的现象。最近的一项研究报道了在低温下，通过调节两个旋转各向同性纳米结构的近场热传输，而高旋转频率和低温条件可能成为实验观察和实际应用的瓶颈。过去的研究表明，单个粒子在衬底上方的量子摩擦增强，在不同情境下，将非互易性归因于非对称热传输，留下了一个有趣的问题，即同时利用表面共振和非互易性是否可以进一步控制近场热传输。在本工作中，我们研究了两个磁光粒子之间的近场辐射热传输的主动控制，并通过利用粒子的光学各向异性、衬底中表面共振的激发以及它们之间的自旋-自旋耦合，显著降低了反向热传输所需的粒子旋转。

研究内容

图1展示了本文所考虑的两个系统。在图1a中，一个热和一个冷InSb粒子，半径为r，分别在温度T1和T2下排列在x轴上，两者之间相隔距离d，至少为5r，以应用偶极近似。周围环境温度为Tenv。粒子围绕y轴以频率Ω1和Ω2旋转，这些频率远小于InSb共振频率。指向+y方向（By）的磁场在xz平面内诱导出环绕粒子的圆形模式（与局域等离子体振荡和光学声子有关），在衬底下方，这些模式可以自旋耦合到具有±kx的表面等离子体激元（SPP）模式。因此，我们期望通过图1b所示的配置增强对热传递的控制，其中将一个半无限InSb衬底（也受By影响）放置在粒子下方，距离h≥5r。

图1，在温度为T1（热）和T2（冷）下，两个InSb粒子绕y轴以角速度Ω1和Ω2旋转的草图。

我们首先证明，即使在没有衬底的情况下，由非互易材料制成的旋转粒子对之间，实现预定热传递所需的旋转频率也可以降低。在数值计算中，我们通过设定d = h = 10r = 100 nm来考虑近场区域。粒子的温度分别为T1 = 310 K和T2 = 300 K，为简化起见，假设T2 = Tenv。图2a、b展示了在0 T（零场）和10 T磁场下，平均功率P2作为Ω1和Ω2的函数，P2(Ω1, Ω2)的变化情况。将衬底引入系统中会导致多种效应，这取决于磁场。我们首先表明，当维持于Tsub温度（假设与T2相同，即Tsub = T2 = Tenv = 300 K）的InSb衬底位于粒子下方时，即使在零磁场By = 0 T的情况下，热反转发生在远小于Ω2的值（见图2c）。

图2. 冷粒子所接收的平均功率P2(Ω1, Ω2)在0 T磁场下的情况：(a)无衬底时；(c)有衬底时；以及(b)10 T磁场下无衬底的情况。

图3. 当粒子处于（a）真空中的（a）0和（b）10 T磁场或（c）置于InSb衬底上方且受到0 T磁场的条件下时，计算得到的[Δ(MΩ)21 − ΔU̇ 21]量。 (d) 与（c）相同，但假设通过衬底的热损失可以忽略不计。

图4. (a) 不同磁场下热反转所需的|Ω2|最小值。"+"和"-"符号表示旋转方向。“Op”指应用于粒子与衬底的相反磁场。(b) Ω2+和(c) |Ω2-|以满足P2 = 0的条件。(d) Byp = Bys= 10 T和(e) Byp = − Bys = −10 T时，光谱角动量大小与旋转频率Ω2的关系。

图5中，我们讨论了自旋-自旋耦合作用，倾向于选择具有相同自旋的粒子和表面模式，这不仅引发了非对称的热传递，还使得在较低旋转频率下实现热量逆转成为可能。

图5. (a−c) 在磁场应用于粒子（衬底）时，P2 和 (e−g) Δ(MΩ)21 − ΔU̇ 21随 Ω1 和 Ω2 变化的关系，磁场强度分别为：(a, e) 10 (10) T，(b, f) 10 (−10) T，(c, g) −10 (10) T。 (d) 在 Ω1 = 0 和 Ω2 = 8 × 1011 rad/s 时评估的冷粒子接收的频谱平均功率（(a−c)中的圆形符号）。

图6. 满足P2(Ω1, Ω2) = 0的旋转频率Ω1和Ω2随磁场强度B从0增加到10 T的变化关系。

结论与展望

总之，我们研究了室温下旋转InSb颗粒之间的近场热传递，并发现当它们具有光学各向异性时，热反转的旋转频率降低。这种降低通过在附近的InSb衬底中激发表面模式进一步加剧（约降低55倍），这些模式增加了热损失并诱导自旋-自旋耦合。我们的模型可以轻松扩展到多体系统，其中可能出现更奇异的现象。通过利用光学各向异性和表面共振，我们展示了近场热传递的主动控制，以本文中的热反转为例，在显著降低旋转频率的情况下实现。这将有利于通过旋转纳米结构调节近场热传递相关现象的实验观察。

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