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上海交大赵长颖教授团队揭示谱空间相位奇点非对称演化机制,并提出非互易热辐射调控新方法

2021-12-23

 

近日,上海交通大学赵长颖教授团队在国际物理学期刊Physical Review Letters上发表“Evolution and nonreciprocity of loss-induced topological phase singularity pairs”研究论文,团队在非互易体系下,研究了损耗诱导的谱空间拓扑相位奇点的非对称动态演化,及其在打破热辐射基尔霍夫定律方面的应用。论文第一作者是博士生刘梦琦,通讯作者是赵长颖教授和新加坡国立大学仇成伟教授。

热辐射的基尔霍夫定律表明:热平衡条件下材料的发射率与吸收率相等e(λ,θ)=α(λ,θ)。这一定律指导着目前几乎所有热辐射器件的设计和开发。但实际上,基于该定律设计的热辐射器件存在固有的能量损失,比如对于太阳能吸收器,吸收器件从太阳光中吸收多少比例的能量,吸收器本身也会向太阳辐射相同比例的能量。因此,研究如何打破该定律,对于进一步完善微纳热辐射理论、设计新型微纳能源器件都具有重要意义。理论上,基尔霍夫定律根源于麦克斯韦方程组的互易性,研究如何打破发射/吸收的平衡,需关注如何打破时间反演对称性(如利用磁性材料),实现非互易热发射。但目前,国内外学者对非互易性热辐射的研究多依赖于较大的外部或内部磁场条件,且很难在宽角度范围实现完全打破基尔霍夫定律(|e-α|→1)。

图1(左图)拓扑相位奇点的产生机制;(右图)谱空间拓扑相位奇点的非对称演化调控与系统辐射损耗的关系

研究团队利用磁光材料,通过研究由连续谱中的束缚态(BICs)分裂的拓扑相位奇点对(topological phase singularity pairs, TPSPs)在光谱-参数空间的非对称特性,系统地揭示了材料损耗和辐射损耗,对非对称TPSPs产生、演化和湮灭的影响机制,其高Q因子特性使得在低外加磁场条件下,也能观察到很强的非互易性。特别地,不同于实空间的涡旋光和动量空间的偏振奇点,由损耗诱导的存在于光谱-参数空间的相位奇点,作为一类新的拓扑特征被发现:在光谱-参数空间相位图上,环绕该点可得到整数的拓扑荷数;当改变系统参数时,这些奇点并不会突然消失,仅改变他们在光谱-参数空间的位置。此外,通过控制系统参数,该项研究建立了非互易体系下,BICs的数目与角度位置的关系,保证了在宽角度范围内,对拓扑保护的TPSPs的主动调控。

图2 基于非对称拓扑相位奇点的非互易性热辐射调控

该类奇点出现在反射强度为0的位置,根据能量守恒,意味着奇点处的吸收率/发射率为1。因此,上述非对称相位奇点特性可直接应用于非互易热辐射器件的设计。利用非对称的TPSPs,可以在多角度下实现完美的非互易性发射,并且全谱段抑制吸收。文中还系统对比了现有的非互易热辐射器件的设计方法,并将TPSPs的相关发现推广到外尔半金属系统中。

该研究将非对称的TPSPs,应用于非互易热辐射器件的设计,为打破基尔霍夫定律的理论和实验研究提供了新的方法。非互易性和拓扑特性的结合,产生了一些新奇的物理现象,也为微纳热辐射调控、新型热辐射能源器件开发,磁光效应增强,拓扑超表面设计等方面的应用研究提供了新的思路。

研究工作得到了国家自然科学基金重点项目、重点国际合作项目、以及上海市重点基础研究项目的资助。赵长颖教授团队长期致力于微纳尺度热辐射机理、实验与应用的相关研究,特别是在无序介质及超材料/超表面的辐射机理、近场热辐射理论与实验、相干散射、微纳热辐射能源器件设计与开发等方面进行了系统深入的研究,近年来在Physical Review Letters、Advanced Materials、Nano Letters、Annual Review of Heat Transfer、ACS Photonics、Physical Review Applied、Physical Review B、IJHMT等国际期刊发表了一系列研究性论文。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.266101

文章来源:上海交通大学新闻学术网

 



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