Nanophotonics：双偏振宽带非互易热辐射

论文信息：J. Sui, S. Liao, H. Zhang, Simultaneous Broadband Nonreciprocal Thermal Emission for Transverse Magnetic and Electric Polarizations, Nanophotonics 15 (2026) e70046.

论文链接：https://doi.org/10.1002/nap2.70046.

研究背景

在传统热辐射体系中，发射与吸收通常满足互易性，这意味着热辐射在不同方向上的传播是对称的。但在很多实际应用中，例如热管理、红外隐身以及辐射能量定向输出，人们更希望热辐射能够“偏向某一方向”释放，从而实现更高效的能量利用。近年来，非互易热辐射逐渐成为研究热点，但现有方案大多局限于单一偏振态（如仅TM模式），且工作带宽较窄，难以满足实际应用需求。因此，如何在宽频范围内同时实现TE和TM两种偏振的非互易辐射，成为当前热辐射调控领域中的一个关键问题。

研究内容

研究首先提出了一种能够实现双偏振非互易热辐射的结构设计思路，通过构建具有各向异性与非对称特征的光学体系，使得不同传播方向上的电磁模式耦合条件发生改变，从而打破传统的辐射对称性。这一设计为实现宽带非互易热发射奠定了基础。

图1｜所提出超表面的示意图及元原子结构细节。(a) 超表面由周期排列的倾斜 WSMs-金单元构成，并置于金基底上。XYZ 和 xyz 分别表示全局坐标系和局部坐标系。每个单元绕 +X 轴逆时针旋转γ= 45°。φ表示平面 A 的方位角，在法线两侧对应的入射角分别为 +θ 和 −θ。插图为七层 WSMs 的电子能带结构，其中动量空间中一对相反手性Weyl节点之间的距离为2b，并假定其沿+Y 轴排列。(b) 七层梯度ENZ WSMs倾斜放置在金基底上，两侧覆盖金膜 G1 和 G2。WSMs 的费米能级自下而上依次为 EF1 到 EF7。图中定义了三个观察方向（蓝色箭头和眼睛图标）：View 1 为沿 −X 轴方向的侧视图，View 2 为沿 −Z 轴方向的俯视图，View 3 为沿 +X 轴方向的侧视图。

在光谱响应分析中，可以看到该结构在较宽频率范围内表现出明显的方向依赖性发射特征，即在正向与反向传播时的辐射强度存在显著差异。这种差异不仅存在于单一频点，而是覆盖了连续的频谱区间，体现出宽带调控能力。

图2｜TM 与 TE 模式下宽带非互易热辐射（NTR）的示意。(a) 互易吸收器（左）与非互易吸收器（右两图）的吸收率光谱对比。(b–d) 为 TM 模式下的电磁特性光谱，(e–g) 为 TE 模式下的电磁特性光谱。(b),(e) 在 θ = 60° 时，超表面的吸收率与发射率光谱呈现明显分离，对应各 WSMs 层的共振吸收/发射峰以蓝色三角标出。(c),(f) 在 θ = 60° 与 −60° 条件下，超表面的同偏振与交叉偏振反射率。(d),(g) 在 θ = 60° 时的非互易性分布，蓝色三角表示最大值及其对应波长。

进一步的模式分析揭示了非互易性的物理来源。不同方向入射时，结构内部激发的电磁模式（包括表面模与导模）发生明显变化，导致能量耦合效率的不对称。这种由结构非对称性与材料响应共同决定的模式差异，是实现非互易辐射的核心机制。

图3｜一般情形下 WSMs 各层在形成宽带非互易热辐射效应中的作用分析。(a) 七层梯度 ENZ WSMs 以垂直方式（γ = 0°）放置在金基底上。所有层的厚度均为 150 nm。沿 +Z 轴自下而上的费米能级 EF1~EF7 按表1赋值。φ 表示平面 A 的方位角，在法线两侧对应的入射角分别为 +θ 和 −θ。(b) 七层 WSMs 的介电张量曲线。不同费米能级下 WSMs 薄膜中 εd 的实部 Re(εd) 以实线表示；虚线表示通过能量耗散函数 Im(−1/εd) 得到的 Berreman 模峰值对应波长。(c) 介电张量 |εa| 与 |εd| 的比值。受 ENZ 影响的峰值对应于 WSMs 出现最大非互易性的波长。(d) 在 θ = 60°、φ = 0° 条件下，TM 和 TE 模式的吸收率与发射率光谱。TM 模式的两条光谱发生分离，而 TE 模式的两条光谱仍保持重合。蓝色三角标出了 WSMs 出现 ENZ 的波长位置。(e) 在 θ = 60°、φ = 26° 条件下，TM 和 TE 模式的吸收率与发射率光谱，此时两种模式都出现了谱线分离。在选定的 λ = 9.08 μm 处，给出了入射角为 θ = 60° 和 −60° 时 TM 与 TE 模式下 Qdiss 的空间分布，分别对应于 (f–i) φ = 0° 和 (j–m) φ = 26°。

在偏振维度上，该结构突破了以往仅针对TM模式的限制，实现了TE与TM两种偏振态下的同时非互易发射。通过对两种偏振的辐射谱进行对比，可以发现其非对称特性在不同偏振下均保持稳定，从而显著拓展了器件的应用范围。

图4｜在 θ = 60°、φ = 26° 条件下，倾斜 WSMs-金单元的性能分析。(a) 所设计的倾斜 WSMs-金单元结构。在方位角为 φ 的入射平面内，入射波（红色实线）以 θ = 60° 入射。局部坐标系 xyz 投影到全局坐标系 XYZ 上，并依据 p 波与 s 波电场的投影方向定义了 u 轴与 v 轴。图中设置了沿 −Z 轴方向的俯视图（view 2）以及沿 −Y 轴方向的后视图（view 4）。(b) TM 模式下同偏振与交叉偏振波的反射系数，在宽带范围内 rpp(60°) 小于 rsp(60°)。(c) TE 模式下同偏振与交叉偏振波的反射系数，在宽带范围内 rss(60°) 与 rps(60°) 均保持接近且较低。(d) TM 模式下的偏振旋转角 ψ 与椭圆率角 χ。(e) TE 模式下的偏振旋转角 ψ 与椭圆率角 χ。ψ 表示偏振波主轴相对于原始坐标轴的偏离角度，取值范围为 −90° 到 90°；χ 表示椭圆率角，取值范围为 −45° 到 45°，其中 0° 表示线偏振，±45° 表示圆偏振。(f) 在 view 2 视角下，TM 与 TE 模式在 λ = 9.08 μm 和 10.97 μm 时激发的金膜表面感生电流分布。G1、G2 以及金基底表面上的电流方向以红色实线箭头标出，电流被分解为 u 轴和 v 轴分量。(g) 在 view 4 视角下，TM 与 TE 模式在 λ = 9.08 μm 和 10.97 μm 时的 Qdiss 空间分布。

随后，研究考察了关键结构参数对非互易性能的影响，包括几何尺寸、材料参数及入射条件等。结果表明，通过合理设计，可以在非互易程度、带宽以及发射效率之间实现有效平衡，为实际器件优化提供了明确方向。

图5 | 在 θ = −60°、φ = 26° 条件下，斜置 WSMs-金单元的性能分析。(a) 所设计的斜置 WSMs-金单元。在方位角为 φ 的入射平面内，入射波（红色虚线）以 θ = −60° 入射。设置了视图2（沿 −Z 轴方向的俯视图）和视图4（沿 −Y 轴方向的后视图）。（b）TM 模式下同偏振与交叉偏振的反射系数。在宽带范围内，rpp(−60°) 与 rsp(−60°) 保持接近且处于较低数值。（c）TE 模式下同偏振与交叉偏振的反射系数。在较宽带宽范围内，rss(−60°) 始终大于 rps(−60°)。（d）在视图4下，TM 和 TE 模式于 λ = 9.08 μm 和 10.97 μm 处的 Qdiss 空间分布。（e）在视图2下，TM 和 TE 模式入射波于 λ = 9.08 μm 和 10.97 μm 激发的金层表面感生电流。（f）在视图2下，TM 和 TE 模式于 λ = 9.08 μm 和 10.97 μm 处的电场能量分布。

最后，通过综合性能评估可以看出，该结构在宽带范围内均能维持较高的非互易发射对比度，同时兼顾较强的整体辐射能力。这表明其不仅在物理机制上具有创新性，也在实际应用层面具备潜在价值。

图6 | 平均发射率关于入射角 θ、方位角 φ 和倾斜角 γ 的分析结果，其中 (a)、(c)、(e) 对应 TM 模式，(b)、(d)、(f) 对应 TE 模式。红色五角星标示出在 8–14 μm 波段范围内平均发射率超过 0.7 的区域。(a)、(b)：超表面在 TM 和 TE 模式下，平均发射率随入射角 θ 变化的极坐标分布曲线，θ 的范围为 −90° 至 90°。(c)、(d)：在平面 A 的旋转方位角 φ 从 0° 变化到 360° 时，超表面在 TM 和 TE 模式下平均发射率随 φ 变化的曲线。(e)、(f)：当 θ = 60° 和 −60° 时，斜置 WSMs-金单元的倾斜角 γ 从 0° 变化到 90° 过程中，TM 和 TE 模式下平均发射率的分布曲线。

结论与展望

这项工作围绕非互易热辐射这一前沿问题，提出并实现了一种能够同时支持TE与TM偏振的宽带非互易发射结构。不同于传统依赖单一偏振或窄带响应的方案，该研究通过引入结构非对称性与各向异性耦合机制，在较宽频率范围内实现了显著的方向依赖辐射特性。其核心在于调控不同传播方向下的电磁模式分布，使得能量耦合效率产生不对称，从而打破传统热辐射的互易性限制。与此同时，该结构在两种偏振态下均保持稳定的非互易响应，显著拓展了设计自由度和应用场景。参数分析进一步表明，通过优化结构尺寸与材料组合，可以在带宽、发射效率与非互易程度之间取得良好平衡。总体来看，这项工作不仅深化了对非互易热辐射物理机制的理解，也为实现高效、可调控的定向热辐射器件提供了新的设计思路，在热管理、红外器件以及能量利用等领域具有潜在应用价值。