磁性拓扑材料中强宽带非互易热辐射

以上是广告

论文信息：Jiang Y, Zhao Y, Zhu L, Yan B. Designing Strong and Broadband Nonreciprocal Thermal Radiation in Magnetic Topological Materials. arXiv:2606.14861 (2026).

论文链接：https://doi.org/10.48550/arXiv.2606.14861

研究背景

打破热辐射互易性是实现高效热光伏、红外伪装与先进热流调控的关键。传统非互易热辐射严重依赖外部磁场（如InAs加1T磁场），且受限于窄带响应（通常<0.02 eV）和复杂的光子结构设计，极大限制了其实用化。尽管磁性外尔半金属因其巨反常霍尔效应（AHE）被视为无磁非互易的潜在平台，但既往研究多基于简化的模型哈密顿量，缺乏基于真实能带结构和各向异性光学性质的材料级定量预测。本文旨在填补这一空白，建立从第一性原理出发的非互易热辐射预测框架。

研究内容

本文构建了DFT-Kubo-Maxwell全尺度计算框架，摒弃了有效介质或单带近似：1、第一性原理电子结构：基于DFT计算考虑自旋轨道耦合（SOC）与磁序的能带结构，构建最大局域化Wannier函数以精确描述费米面附近的多带色散。2、全频介电张量：采用Kubo-Greenwood公式计算频率依赖的电导率张量 σij(ω)，明确包含Drude权重（由量子度量描述）与带间跃迁（由贝里曲率驱动），进而获得包含非对角霍尔分量（εxz）的完整介电张量。3、麦克斯韦方程求解：将介电张量输入广义 4×4 Berreman矩阵求解器，处理半无限大介质表面的各向异性与偏振混合，严格计算方向性的发射率与吸收率对比度 Δ(ω,θ)=e(ω,θ)−α(ω,θ)。

图1.磁性拓扑材料中的内在非互易热光子学。（a）常规平台：n型InAs平板需要外部磁场B来打破时间反转对称性。启发式地，霍尔效应诱导的边界流（黄色箭头）打破了方向吸收率 α(ω, θ) 和发射率e之间的平衡(ω, θ). 由此产生的非互易, α(ω, θ)≠e(ω, θ), 通过变化的箭头尺寸可视化。（b）当前工作：磁性Weyl半金属，通过其内在磁化M自发地打破了由拓扑Weyl费米子带结构引起的时间反转对称性。反常霍尔电导率直接产生非对角线介电分量εxz=−εzx，在没有外部磁场的情况下产生非互易性。

以磁性外尔半金属Co₃Sn₂S₂为典型，在费米能-0.17 eV处无需磁场即实现中红外6–12 μm（0.1 eV）的宽窗口非互易响应，峰值在7.8 μm达21.5%，带宽是InAs+1T磁场（仅0.02 eV窄尖）的5倍；混合拓扑磁体Eu₃In₂As₄铁磁相更是将峰值推到35%，为已筛选材料的最高值。两者均在ENZ点附近出峰，但拓扑材料的霍尔分量更大、介电色散更平缓，支撑了“强+宽”的响应特征。

图2磁性外尔半金属Co3Sn2S2与传统InAs半导体设置的内在非互易性。（a）Co3Sn2S2的角和频率分辨非互易性 ∆(ω, θ) = e(ω, θ)−α(ω, θ) 。颜色编码入射角；x轴是光子能量（或光子的等效波长）。（b）对于B=1 T下的n掺杂InAs也是如此，使用相同的Berreman求解器使用实验参数[31,32]计算。（c，d）每种材料的相应介电函数：实线蓝线显示Reεxx（ω），虚线蓝线显示Imεxx（ω）（光损耗），红线显示离对角线（反常霍尔）分量Imεxz（ω）的虚部。虚线垂直线标记等离子体频率ω0，其中Reεxx（ω0）=0， ∆(ω, θ) 在ω0处呈现峰值。阴影区域突出显示高非互易光谱窗口。

为给领域提供通用选材标准，研究对9种已实验合成的磁拓扑材料（含不同磁相的Eu₃In₂As₄、Mn₃Ge、Mn₃Sn、Heusler铁磁体等）及InAs做高通量计算，结合ENZ点附近的线性介电展开，推导出两条定量标度律：非互易强度由霍尔-损耗比g/εd′′决定（Δmax∝g/(εd′′)p，低损半导体p=1、高损金属p=1.5），带宽由损耗-色散比εd′′/β决定（Δω∝εd′′/β）。这直接解释了Mn₃Ge/Mn₃Sn虽有巨大直流霍尔但Δ仅~1%的矛盾——其金属性导致εd′′>60淹没了霍尔信号；也颠覆了“损耗有害”的直觉：适当高损耗是拓宽带宽的关键。所有材料的数据点几乎完全贴合两条标度律的1:1参考线，验证了定则的普适性。

图3.本征非互易热辐射的通用标度定律，在所有候选磁性拓扑材料中得到验证，并以外部磁场（B=1 T）下的InAs为基准。（a）非互易强度标度[方程（8）]：在等离子体/ENZ频率ω0下评估的峰值非互易对比度Δmax与反常霍尔优值x=g/ε'd=Imεi=j/Imεii，对应于1≤p≤3/2的一般标度Δmax/g/（ε'd）p的低损耗半导体极限（p→1）。（a）的右下角插图显示了针对互补高损耗金属极限（p→3/2）、g/（ε'd）3/2重新绘制的相同数据，表明分析括号的两个端点在筛选的材料集中产生了相当紧密的普遍塌陷。（b）带宽缩放[方程（9）]：光谱带宽Δω（eV）与ω0处优点的带宽图ε'd/β=Imεii/əReεii/əω（eV）。在两个主面板中，虚线表示预测的线性缩放，来自结构不同材料的数据崩溃到一个单一的普遍趋势，证实x和ε'd/β分别是非互易强度和操作带宽的唯一材料决定因素。外场InAs点（B=1 T）仅作为常规基准包括在内，遵循相同的普遍趋势。

基于三参数模型推导的闭式解析解与全波数值结果高度吻合，证明设计定则并非拟合产物，而是非互易响应的本征规律。少数偏离标度的点对应更丰富的物理：比如Co₂MnAl的霍尔以实部为主、Eu₃In₂As₄存在多个ENZ穿越、部分材料介电各向异性显著，其中多ENZ穿越可通过模式叠加将带宽拉到0.4 eV以上，比单ENZ宽近一倍，为后续宽带设计提供了额外自由度。

图4. Co3Sn2S2上的因式分解Δ约(ω, θ) = 8 f（ω）G(κ, θ) [Eq.（D8）]在µ=−0.17 eV，η=0.01 eV下的数值验证，纯假想非对角线回旋（Reεxz=0）。顶排: ∆(ω, θ) = R（+θ）−R（−θ）计算自（a）Berreman 4×4传递矩阵求解器在面板（d）的第一原理介电张量上；（b）相同的求解器在面板（e）的线性化3参数ENZ模型上，Reεd(ω) = β(ω−ω0）和Imεd，εxz冻结在ω0；（c）解析公式Eq。（D8）由与面板（b）相同的简化ε馈送。最下面一行：（d）Co3Sn2S2的第一性原理ε；（e）简化模型ε用作面板（b）和（c）的输入；（f）简化ε上的材料形状因子f(ω) = −Re（n2 vγ）/|nv|4，角形状函数G(κ, θ) = sinθcos/（cos θ + κ)2绘制为插图（在ω0处κ≥0.23，解析峰θmax≈78°）面板（c）内部的色条在5个步骤中编码入射角（cid： 18）[5,85]。这三个约简保留了光谱形状、峰值位置和非互易特征的带宽。峰值振幅是最大|ΔFP|=0.161（a）、最大|Δsimplified|=0.135（b）和最大|Δapprox|=0.179（c）：参数冻结步骤（a→b）和分析因式分解（b→c）将峰值振幅向相反方向移动并部分补偿，因此端到端分析约再现第一原理峰值到现实磁性拓扑金属上的10%以内。

图5.缩放塌陷的代表性异常值，每个偏差机制一个，格式与图2相同。顶部行：角度分辨的非互易性 ∆(ω, θ) (颜色编码入射角5°-85°）；底部行：对应的介电张量，具有Reεxx（蓝色）、光损耗Imεxx（虚线灰色）和离对角线回旋（深红色）。短箭头标记ENZ交叉。（a，e）Eu3In2As4（FMa), µ = +0.47 eV-对角线光学各向异性：覆盖的Reεzz（紫色）在ω0z约0.44 eV处交叉为零，不同于ω0x约0.27 eV，非互易带（0.45-0.48 eV）位于前者附近。（b，f）Eu3In2As4（FMc), µ = −0.27 eV-多重ENZ：Reεxx交叉为零三次（ω01，ω02，ω03=0.142,0.193,0.304 eV）。（c，g）MnTe, µ = −0.37 eV-无ENZ：Reεxx始终为负，因此不存在ω0。（d，h）Co2MnAl, µ = −0.27 eV-实支配回旋：进行非对角线响应。通过Reεxz（实心深红色），Imεxz（微弱的虚线）在ω0≤0.29 eV处几乎小了一个数量级。每个列标题都标有标记图3中相应点的开放符号 (⃝, △, ✩) ；无ENZ列（c）未标记，没有缩放坐标。

结论与展望

该工作将非互易热辐射从“靠外场+靠微纳加工”拉回材料本征属性调控，给出了可直接复用的选材公式。后续只需通过单晶制备验证Co₃Sn₂S₂/Eu₃In₂As₄的发射特性，结合简单光栅即可进一步放大信号，为无磁热伪装、芯片级热路由器等应用提供了底层支撑。目前结果均来自第一性原理预测，待实验验证后将推动该方向从理论走向器件。