山东大学董健&刘林华与哈工大赵军明PRL：受限多体系统中热光子的超弹道输运

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论文信息：Dong J, Zhao J, Ben-Abdallah P, Liu L. Superballistic transport of thermal photons in confined many-body systems. arXiv:2603.16296 (2026).

论文链接：https://doi.org/10.48550/arXiv.2603.16296

研究背景

弹道输运（系统尺寸小于载流子平均自由程时出现）一直被视为能量传递的终极极限——1D体系中有效热导率随长度标度 κ∼Lᵃ，弹道极限对应 α=1。本文打破这一认知：在约束于腔体内的稀释等离激元纳米颗粒链中，预测到超越弹道极限的超弹道辐射热输运 regime，有效热导率呈现超线性标度 κ∼L¹·⁵，其物理根源是腔引导模式对长程相互作用的放大。

研究内容

模型体系：考虑半径 R=25 nm 的 SiC 纳米颗粒周期链，晶格常数 Λ，分别嵌入三种环境：自由空间（3D）、平面腔中平面（2D，亚波长间隙 h=1 μm）、圆柱腔轴线上（1D，内径 D=7 μm）。SiC 颗粒在室温下激发表面声子极化激元（SPhP）。

近平衡态下，局域能量守恒由 Chapman-Kolmogorov 主方程描述，辐射热导通过 Landauer 透射系数计算：

图1.自由空间、平面腔或圆柱形腔中等离激元纳米粒子链的草图。降低光子维度加强了沿链的远程多体相互作用，能够协同形成驱动弹道和超弹道运输的加速制导和辐射模式。

三种约束下的标度律跃迁：在深近场区，三种几何均呈现由短程倏逝耦合主导的相似衰减。但在较大分离下渐近行为迥异：自由空间 G∼z⁻²（超扩散）；平面腔中 G∼z⁻¹（长程序弹道输运）；圆柱腔中当 z≳1 μm 时 G 几乎与分离无关，标度 G∼z⁰——在 Lévy 飞行框架下对应有效指数 α≤0，标志着超越传统弹道极限的超弹道输运 regime。

图2. N=10,001 SiC纳米粒子在自由空间或限制在平面或圆柱形腔中沿链的辐射输运。（a）中心NP和位于z位置的其他NPs之间热导G的空间缩放（符号），显示为具有不同晶格常数的链；为了比较，两个孤立的NPs之间的G被绘制为实线。（b）在不同分离点z处的NPs之间的透射系数Tij，对于λ=0.2μm的链。插图显示了当只有中心NP被热激发时电磁场局部态密度的电分量的空间分布。

色散关系与群速度增强:通过时域耦合模理论将颗粒链映射为耦合谐振子，提取本征频率与色散关系。自由空间中模式色散平坦、群速度低；平面腔中横模与基模腔模在窄频谱范围耦合，群速度显著提升；圆柱腔中横模在更宽频带内与引导模发生反交叉，群速度急剧增大（甚至呈现超光速，但不意味着能量超光速传输）。对应的传播长度 ξₖ 在平面腔中增强约一个量级，在圆柱波导中增强两个量级，达数百微米。

图3.在（a）自由空间、（b）平面空腔和（c）圆柱空腔中，通过本征频率映射获得的粒子间行间距λ=0.2µm、总长度L=104µm（N=50,001）的SiC纳米颗粒链的色散关系。这里，T表示横模（x和y极化激发），L表示纵模（z极化激发）。插图显示了光线附近和耦合区域内的归一化群速度vg、k/c和传播长度ξk。（d）不同长度链的快速本征模分布。

有效热导率的超线性标度:基于多体辐射热输运理论严格计算热流，提取有效热导率 κ_eff。当 L≲10 μm 时，三种情形 κ_eff 近乎恒定（近场主导）；L 增大时，平面腔呈线性标度（弹道），圆柱腔呈超线性增长，指数约 1.5——确凿的弹道与超弹道输运证据；自由空间则缓慢增长。稳态温度剖面显示：短链近似线性（扩散或准扩散）；长链内部出现平坦温度平台、边界处有陡降——对应 Casimir 类 regime，链内部通过集体长程相互作用达到平衡，能量交换主要发生在接触端；1D 腔的平台最长、边界跳跃最陡，为反常长程热输运提供额外证据。

图4.自由SiC和受限SiC纳米颗粒链（R=25nm）在T=300K时的有效导热系数κev与链长L的比例关系，晶格常数λ=0.2µm。平面腔的间隙尺寸为h=1µm，圆柱体直径为D=7µm。插图：稳态区域沿链的温度分布。

结论与展望

本文证明：约束于腔体内的等离激元纳米颗粒链，即使在稀释构型下也能达到弹道输运；圆柱腔中输运进一步超越经典弹道极限，进入超弹道 regime；其物理机制是腔引导模介导的长程相互作用的协同放大，产生加速的、空间离域的输运本征模，并使有效热导率随系统尺寸呈现超线性标度。该工作为超快光子热输运提供了理论框架，在纳米尺度热管理、信息处理与量子技术中具有潜在应用价值。

后续方向：① 实验验证 SiC 纳米颗粒链在圆柱腔中的超弹道输运；② 拓展至其他极化材料纳米颗粒与其他腔几何；③ 探索超弹道光子热输运在热管理、量子热力学与片上光子热路由中的应用。