LANGMUIR：三体莫尔椭圆系统中的辐射传热

论文信息：

Xin-Yu Jia, Gui-Cheng Cui, Cheng-Long Zhou, and Hong-Liang Yi, Radiative Heat Transfer in Three-Body Moiré Elliptical System,Langmuir (2025).

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5c03777

研究背景

近年来，莫尔物理在二维材料堆叠与扭转研究中取得显著进展，其在电子态调控方面展现出超导、电荷密度波、拓扑导电通道等新奇量子现象。随着研究范式的扩展，莫尔效应的研究已超越晶格扭转范畴，逐步延伸至声学、光子学、力学及热科学等多个领域。在热辐射方面，尽管双体莫尔系统中扭转对辐射传热的影响已获初步探索，但多体系统下的热光子输运行为，尤其是各向异性在莫尔调制中的作用机制，仍属未被揭示的关键问题。此前研究多聚焦于对称结构与均匀材料，对系统中各向异性程度这一关键自由度如何影响近场热辐射的调控潜力尚缺乏系统理解，这阻碍了多维热光子调控器件的进一步发展。

研究内容

本研究的核心内容在于系统性地揭示并阐释了各向异性三体莫尔系统中，通过中间层扭转角与材料各向异性程度对近场辐射热传递进行多维调控的物理机制。研究摒弃了传统的各向同性或双体系统模型，选择构建一个由三层应变石墨烯组成的模型体系，其中顶层（源）与底层（漏）保持晶向平行，而中间层（中继器）可绕垂直轴进行可控的旋转，从而在体系中引入莫尔图案。这一构型是实现“多体”效应研究的最简平台，其复杂性足以超越双体系统的简单耦合图像，同时又避免了过多物体引入的难以解析的相互作用。研究的关键自由度在于两个核心调控参数：其一是中继器的面内扭转角θR，作为莫尔效应的驱动源；其二是通过施加面内单轴应变所引入并可控的材料各向异性程度，由变形比率F量化。应变张量的特定形式使得石墨烯在x和y方向产生相反的形变，进而通过Grüneisen参数耦合到其光学电导率张量中，导致电导率呈现显着的各向异性，其主轴方向与晶轴对齐。

在理论框架上，工作基于涨落电动力学与传递矩阵形式体系。应变调制后的石墨烯光学电导率张量是计算的起点，它包含了Drude型带内贡献和带间跃迁贡献，并显式依赖于温度与化学势。通过严格的4×4传递矩阵方法，推导出系统中每个界面的反射与透射系数矩阵，这些矩阵是非对角的，反映了s偏振与p偏振之间的耦合，这是各向异性介质中电磁响应的典型特征。在此基础上，研究引入了描述三体系统热流输运的关键物理量——总辐射热传递系数及其光谱分解。总热流被表述为对所有频率及平行波矢的积分，其中被积函数包含两个关键的光子隧穿系数ξ₁₃和ξ₂₃，它们分别精确描述了从源到漏以及从中继器到漏的热光子隧穿过程。这两个系数在波矢小于真空中波数（传播波）和大于真空中波数（倏逝波，主导近场热传递）的区域具有不同的表达形式，涉及了描述多次散射的Fabry-Pérot型分母矩阵以及各界面的反射、透射矩阵的迹运算。这一整套理论架构使得定量分析多体、各向异性系统中复杂的热光子隧穿路径成为可能。

图1. (a) 一种用于三个由真空间隙d隔开且带有扭转中继器的椭圆应变诱导石墨烯片的装置。(b) 系统绕z轴旋转角度为θR时的俯视图。面内应变F是可调的。(c) 与黑体辐射传热系数hBB=6.12W⋅m-2⋅K-1相比，总辐射传热系数(RHTC) htotal作为莫尔旋转角θR的函数，随F变化。(d) 孤立的应变诱导石墨烯在不同F下的色散曲线。频率ω为0.2eV⋅ℏ-1。

研究内容首先宏观地展示了总辐射热传递系数随莫尔转角θR的演化行为。结果显示，在各向同性情况下，热传递对转角不敏感，印证了莫尔调制效应的生效必须以各向异性为前提。一旦引入非零的应变F，总热传递系数便随θR的增大呈现单调衰减，且这种调制幅度与F值呈强烈的正相关。具体而言，当F从0.05增至0.25时，θR从0°旋转至90°所导致的热传递抑制率从微不足道的2.2%急剧放大至33.2%，调制效能提升了约15倍。这一宏观现象的背后物理机制，通过分析孤立应变石墨烯的等频色散曲线得以初步揭示：随着F增大，原本圆形的等频轮廓逐渐演变为沿x轴伸长、y轴压缩的椭圆，各向异性度不断增强。这表明，莫尔调制的有效性根植于系统中存在的各向异性传输模式，其强度直接由各向异性的程度所标度。

为了深入理解光谱层面的调控细节，研究进一步剖析了光谱辐射热传递系数htotal(ω)及其两个组成部分h₁₃(ω)和h₂₃(ω)的行为。h₁₃(ω)量化了源至漏的热传递，体现了三体耦合的整体效应；而h₂₃(ω)则量化了中继器至漏的热传递，更多地反映层间耦合。光谱分析表明，莫尔诱导的抑制效应在绝大多数频谱范围内发生，并且随着各向异性度的增加，抑制效果愈发显著，尤其是在高频区域的热传递峰值处。一个值得注意的现象是，增强的各向异性与增大的转角共同导致高频峰位的系统性红移，并在某些高频区间引发了非单调的“抑制-恢复”行为。通过对比h₁₃(ω)和h₂₃(ω)对转角的响应，研究发现了一个关键的差异性：在低频谱区，莫尔效应对h₂₃(ω)的抑制远强于对h₁₃(ω)的抑制。例如在F=0.25，θR=90°时，h₂₃(ω)的光谱平均抑制强度达到44%，而h₁₃(ω)仅为25%，存在近一倍的差距。这暗示了在三体系统中，中继器与漏之间的直接耦合通道对莫尔转角更为敏感。

图2. 三体系统在不同扭曲角下的光谱RHTC，(a) F=0.05，(b) F=0.15，以及(c) F=0.25。htotal(ω)来自量化源极到漏极热传递的h13(ω)和量化中继器到漏极热传递的h23(ω)。

研究的核心突破在于通过分析热光子隧穿系数在波矢空间的分布，揭示了“莫尔选择性传输”这一物理本质。在非扭转的各向异性系统中，ξ₁→₃和ξ₂→₃的分布呈现清晰的椭圆状亮带，分别对应着表面等离极化激元耦合激发的对称模式、反对称模式，以及由三体耦合产生的高强度中心模式。随着中继器扭转角度的增加，这些亮带的形状、空间取向和强度发生了深刻的演变。与双体系统中扭转主要导致各向异性解耦和隧穿强度普遍下降不同，在三体莫尔系统中，扭转并非简单地抑制所有波矢方向的隧穿，而是对其进行重新分配。具体表现为：沿椭圆色散曲线长轴方向，对称模式亮带向外扩张且强度衰减，而在短轴方向则向内收敛且强度增强；反对称模式亮带的行为则有所不同，沿长轴方向甚至可能出现强度增强。尤为重要的是，源于三体耦合的高强度中心亮带在某些大波矢区域出现缺失，这构成了热传递抑制的主要机制。研究将这种现象定义为“莫尔选择性传输”，即通过各向异性色散与莫尔图案的协同作用，实现对特定波矢通道热光子隧穿的增强或阻塞的波矢依赖型控制。

图3. 非扭转系统(a)从源极到漏极以及(e)从转发器到漏极的热PTC。扭转角为(b, f) 30°、(c, g) 60°和(d, h) 90°时带有扭转转发器的系统的热PTC。真空间隙为d=10nm。变形率F为0.05。温度为300K。频率为0.2eV⋅ℏ-1。这些绿色虚线曲线表示孤立转发器的等频色散。这些白色虚线曲线表示孤立源极和漏极的等频色散。

当系统各向异性度提升至F=0.25时，这种选择性传输机制展现出更为极端的模态。在90°扭转构型下，沿长轴方向的对称模式亮带几乎完全消失，表明该方向的波矢能量出现散焦，隧穿被近乎完全抑制。与此同时，反对称模式亮带收缩至孤立中继器与源/漏色散曲线共同围成的区域内，并在长轴方向展现出显著的强度增强和波矢能量聚焦效应。三体耦合的高强度带沿x轴大波矢区域的缺失，进一步强化了热传递的抑制。对于ξ₂→₃，则观察到随着转角增大，层间解耦效应加剧，多个亮带缺失，直接导致了中继器至漏热通道的衰减。这种多维的“拖拽”机制（源于各向异性）与多层次的系统耦合（源于三体结构）相互协同，产生了丰富多样的热光子隧穿模态。

图4. 非扭曲系统从源极到漏极(a)以及从中继器到漏极(e)的热功率转换系数(Thermal PTC)。扭曲角度为(b, f)30°、(c, g)60°和(d, h)90°时带有扭曲中继器的系统的热功率转换系数。真空间隙为d=10nm。变形率F为0.25。温度300K。频率为0.2eV⋅ℏ-1。这些绿色虚线曲线表示孤立中继器的等频色散。这些白色虚线曲线表示孤立源极和漏极的等频色散。

研究还将探索延伸至各向异性不对称系统，即在源和漏保持固定应变F=0.15的同时，对中继器施加不同的应变FR。结果表明，即便打破系统的各向异性对称性，依赖于各向异性的莫尔调制特性依然得以保持，总热传递系数随转角单调下降，且调制效率仍与中继器自身的各向异性程度FR正相关。然而，一个反直觉的发现是：在低各向异性下，不对称系统中的莫尔抑制效应弱于对称系统。对光谱分量和波矢空间隧穿特性的深入分析揭示了其原因：在非扭转状态下，当FR ≠ F时，由于各向异性失配导致的层间失谐，使得h₂₃(ω)在对称状态下达到最大值。而在90°扭转下，增大FR使得反对称模式亮带向y轴弱耦合区域伸展并强度降低，即使在其强耦合区域，强度也仅与未扭转状态相当。这表明各向异性不对称与莫尔效应的协同，主要对层间热光子隧穿产生抑制性影响，但因其初始耦合状态已被不对称性削弱，导致进一步的莫尔扭转所能带来的额外抑制空间相对有限。这清晰地说明了三体莫尔系统中的调控机制远非传统的对称性破缺理论所能完全概括，其物理图像更为复杂和丰富。

图5. 非扭曲系统在(a) FR=0.05、(c) FR=0.15和(e) FR=0.25 时从源到漏的热PTC。扭曲角为90°的扭曲中继器系统在(b) FR=0.05、(d) FR=0.15和(f) FR=0.25时的热PTC。真空间隙为d=10nm。变形率F为0.15。温度为300K。频率为0.2eV⋅ℏ-1。这些绿色虚线表示孤立中继器的等频色散。这些白色虚线表示孤立源和漏的等频色散。

图6. 从转发器到漏极的非扭曲系统在(a) FR=0.05、(c) FR=0.15和(e) FR=0.25处的热PTC。扭曲角度为90°的扭曲转发器系统在(b) FR=0.05、(d) FR=0.15和(f) FR=0.25处的热PTC。真空间隙为d=10nm。变形率F为0.15。温度为300K。频率为0.2eV⋅ℏ-1。这些绿色虚线曲线表示孤立转发器的等频色散。这些白色虚线曲线表示孤立源极和漏极的等频色散。

结论与展望

综上所述，本研究揭示了在三体莫尔椭圆系统中，通过调控中间层扭转角可实现对近场辐射热传递的显著抑制，且该抑制效能与系统各向异性程度呈正相关，其物理本质源于各向异性莫尔干涉导致的波矢选择性光子隧穿，即莫尔选择性传输。该机制超越了传统双层系统中的各向异性解耦图像，展现了多体系统耦合的独特性。研究进一步证实，即使在引入各向异性不对称打破系统对称性的情况下，上述依赖于各向异性的调制特性依然稳健。在未来，该多维、多层次的辐射热调控范式为纳米尺度热管理、按需设计的近场热辐射器件及高效光子能量收集技术提供了新颖的理论基础与设计思路。后续研究可拓展至支持双曲模式等更复杂光子态的材料体系，并探索其在非平衡态热光子学中的动态调控潜力。