结合局域与非局域超表面实现宽带双极化非互易热辐射

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论文信息：Shuang Xia, Mengqi Liu, Wenjian Wan, et al. Dual-polarization control of broadband nonreciprocal thermal radiation by combining local and nonlocal metasurfaces.

论文链接：https://doi.org/10.48550/arXiv.2608.05640

研究背景

非互易热辐射能够打破基尔霍夫热辐射定律的约束（即同温、同波长、同角度、同偏振下吸收率等于发射率），为新一代热光子能源系统提供新范式。然而，基于磁光材料的实验研究存在一个根本性局限：天然旋电（gyroelectric）特性使得非互易响应几乎只出现在TM偏振，TE偏振的非互易响应完全缺失。由于热辐射本身是非偏振的，这一偏振限制直接将能源转换系统的理论最大效率削减一半。尽管理论上已有若干TE偏振非互易发射的设想，但在本征旋电系统中实现实验验证，尤其是兼顾宽带与双偏振的非互易性，仍是未解难题——其核心挑战在于如何在旋电磁光材料中诱导出人工旋磁（gyromagnetic）响应，使原本无法与材料耦合的TE波产生非互易性。

研究内容

本文提出"局域超表面 + 非局域超表面"两段式设计策略：

① 局域超表面：激活TE偏振非互易性

在磁化InAs薄膜上图案化周期性锗（Ge）微盘阵列。Ge凭借高折射率与低红外损耗，支持强烈的米氏（Mie）型共振。多极分解表明，主导响应来自磁偶极（MD）共振——其电场矢量在x-y平面内环流，等效于沿面外z方向的磁偶极矩。这一近场行为重构了局域电场分布，引入了本征薄膜中缺失的Ex分量，使TE偏振光（Ey）得以与磁光介质的离轴介电张量有效耦合，从而在TE偏振下产生可观测的非互易响应。

图2.非互易热辐射中破坏极化约束的机理a，两种不同极化条件下裸ENZ薄膜的吸收光谱。b，所提出的超表面示意图和相应的解析多极分析（Hdisk=2μm，半径=3.5μm，周期=11.5μm，H薄膜=0.7μm）。c，d，TE极化下磁偶极（MD）和电偶极（ED）模式下的近场分布。e，f，不同极化下非互易吸收光谱随入射角的变化而变化，揭示了根本不同的非互易响应。g，在θ=45°的入射角下提取的非互易吸收对比度η，显示了TM极化下ED和MD主导共振之间的符号反转。

② 非局域超表面：拓展至宽带双偏振

单个MD共振的局域化本质限制了带宽。为此，作者设计2×2超胞结构，每个超胞内含4个尺寸各异的Ge椭圆微盘（C4旋转对称以最小化几何不对称性引入的偏振敏感），并与5层梯度掺杂InAs近零介电常数（ENZ）磁光薄膜集成。不同尺寸谐振器的集体耦合在目标波段内产生空间延展的共振模式而非独立的局域共振，从而实现宽带响应。几何参数与掺杂浓度通过遗传算法（GA）协同优化，目标函数在22–26 μm范围内最大化非互易吸收对比度并保持偏振不敏感。

图1、混合超表面在TE和TM极化下实现宽带非互易热辐射的原理。a、b、以前基于单层或多层薄膜的作品。它们的非互易响应源于传统MO材料的内在陀螺电性质，而磁导率保持标量（μ=1）。这将非互易热辐射限制在TM极化，使TE极化响应基本上缺席。c、我们的工作通过在局域超表面中引入磁偶极子模式来克服这种TE极化限制。这种独特的共振的特征是在单个谐振器中循环位移电流，并将在狭窄的光谱范围内产生人工陀螺磁响应。d、我们提出的非局部超表面与梯度掺杂多层相结合。超电池中不同谐振器之间的集体耦合将进一步增强TE响应，并将双极化非互易性扩展到宽带区域。

首次实验验证TE偏振非互易吸收：制备的局域超表面样品（Ge微盘阵列 + 700 nm InAs薄膜）在45°入射、±1.5 T磁场下测得：TM偏振在ED与MD双共振附近均呈现强吸收对比，最大η达0.23（λ=27 μm）；TE偏振在MD共振附近同样呈现出清晰的吸收对比——而裸InAs薄膜在TE偏振下无论磁场如何反转均无调制。4×4传输矩阵法提取的有效张量进一步证实：该超表面在TE偏振下展现出人工旋磁响应（离轴磁导率κ≠0），在TM偏振下保留常规旋电响应（离轴介电常数γ≠0）。

图3.双极化非互易吸收的实验证明。a、制造样品的SEM图像。b、定制的具有可调谐外部磁场的红外吸收光谱表征装置。c、f、在TE和TM极化下没有外部磁场时测量的角度分辨吸收光谱。d、g、双极化时在B=±1.5T下测量的非互易吸收光谱。e、h、绝对吸收率随磁场的变化，分别在TE极化的MD共振附近和TM极化的ED共振附近提取。每条曲线都是通过平均得到的三个连续的测量。i，谐振结构及其相关等效材料的示意图。j，k，TE极化复磁导率张量和TM极化介电常数张量的离对角线分量。所有结果在d-e和g-h对应于45°的入射角。

遗传算法优化的宽带非局域超表面：为了克服单共振的窄带局限，研究采用2×2超胞设计（图4a），结合梯度掺杂ENZ多层膜（图4c）。通过遗传算法协同优化Ge椭圆盘的几何尺寸与InAs的掺杂浓度，在保持C4旋转对称以减少偏振敏感性的同时，利用多谐振器的集体耦合实现了宽带响应。

图4.宽带非互易吸收的双极化控制。a、基于遗传算法的宽带设计优化过程框架。b、MD谐振不同尺寸的锗谐振器的贡献。c，梯度掺杂浓度下InAs薄膜介电常数的实部，揭示了ENZ响应可以在宽光谱范围内保持。d，制作样品的SEM图像对应于最佳设计。

双极化宽带非互易响应：实测结果显示（图4g-h），该器件在TE偏振下于22–27 μm维持非互易吸收，TM偏振下带宽进一步拓展至19–27 μm（近5 μm）。值得注意的是，整个波段内非互易对比度η的符号保持一致，避免了不同共振模式相互抵消，确保了净辐射效率。相比传统多层膜，该设计仅用5层InAs即实现宽带响应，更加紧凑轻量。

图4.e，f，测量无磁场的角分辨吸收光谱。g-h，在B=±1.5T下测量的非互易吸收光谱和在入射角θ=45°下宽波长范围内相应的非互易对比度。g，TE极化。h，TM极化。

结论与展望

本工作首次通过实验证明：利用高折射率介质谐振器中的强MD模式重构局域电场取向，可在本征旋电磁光平台中激活人工旋磁响应，从而打破非互易热辐射的偏振限制；进一步结合遗传算法优化的非局部超表面与梯度掺杂ENZ磁光多层膜，实现了22–27 μm (TE) 与19–27 μm (TM) 的双极化宽带非互易吸收。

该混合磁光超表面平台为综合调控非互易热辐射的光谱带宽与偏振依赖性提供了通用架构，所揭示的机制和优化框架可拓展至III-V族半导体、磁化外尔半金属等多种磁光材料体系，为先进能量收集与辐射能量管理中的集成非互易热光子器件开辟现实路径。