NC：来自非厄米超表面的结构相干热发射

近日，山东师范大学韩张华教授、蔡阳健教授、四川大学王卫教授以及澳大利亚国立大学Yuri Kivshar教授合作研究团队基于非厄米超表面实现了同时具有窄带、定向、无彩虹效应的甜甜圈状矢量偏振相干热发射，相关研究成果以“Structured coherent thermal emission from non-Hermitian metasurfaces”为题发表在期刊《Nature Communications》上。山东师范大学博士生孙开礼和四川大学王柯人同学为论文共同第一作者，韩张华教授、王卫教授以及Yuri Kivshar教授为论文共同通讯作者。

研究背景：

热发射本质上源自物体内部的随机热涨落，传统上具有宽带、全向、非相干和非偏振的特性，这些特性通过黑体辐射定律和涨落-耗散定理得到了完美概括。然而，近年来，纳米光子学和超表面技术的突破正在改变这一基本物理图景，使得对热发射光谱、空间和偏振等多个维度的精准调控成为可能。特别是在中红外波段，作为分子指纹区，对时间/空间相干性和偏振控制的热光源需求尤为强烈。尽管已有研究利用非局域超表面实现了高相干性热发射，并在线偏振和圆偏振控制方面取得了进展。对于矢量偏振光束（如径向和角向偏振），由于其独特的偏振分布，在聚焦成像、粒子捕获等领域具有巨大潜力，然而，迄今为止，利用热发射器直接产生具有高时间相干性和定向性能的矢量偏振热发射的研究仍然较为匮乏。如何在实现矢量偏振控制的同时保持高相干性和方向性，并消除传统色散系统中的彩虹效应，是当前面临的关键挑战。

研究内容：

这项工作设计了一种四孔晶胞结构，成功生成了两种具有高方向性、无彩虹效应、且呈甜甜圈状分布的矢量偏振相干热发射。研究团队通过布里渊区折叠诱导的拓扑荷工程，在Γ点灵活激发了不同拓扑荷的矢量偏振态。通过调控四孔间距，构建了一个四能级耦合模式系统，将高辐射损耗的Fabry–Perót模式与对称保护的BIC进行战略性耦合，并完整展示了耦合演化过程。在此过程中，无需引入人工光学增益，便观察到了奇异点（EP）和其诱导的能带环的形成、湮灭与重构。在这个过程中不仅实现了两个迷你平带的产生，而且EP附近的非厄米相互作用引发了辐射损耗随波矢的急剧变化，使得仅能在特定波矢下实现辐射损耗与材料吸收损耗的临界耦合，从而在最大化发射率的同时实现了高方向性，并抑制了传统色散系统中因Q值对波矢弱依赖而产生的彩虹效应。基于这些独特的非厄米物理机制，研究团队从理论和实验上证实，可在3–5 μm大气透明窗口获得兼具高光谱纯度、极端方向性和矢量偏振特性的甜甜圈状相干热发射。该研究建立了一个强大的非厄米平台，能够将杂乱的热涨落转化为特定频率下的相干矢量偏振光束。同时，它克服了相干性、光谱选择性和偏振控制之间的权衡限制。

图1：展展示了传统色散系统的热发射特征和经非厄米工程后的矢量热发射特征

图2：非厄米工程超表面过程

图3：热发射特性数值计算结果

图4：结构热发射的实验结果

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70823-3