APL:無(wú)需磁光介質(zhì)、基于連續(xù)譜束縛態(tài)驅(qū)動(dòng)的拓?fù)湎辔黄纥c(diǎn)對(duì)實(shí)現(xiàn)的超小角度非互易熱輻射

論文信息：J.-J. Luo, Y.-H. Sun, Z.-K. Lu, and H.-F. Zhang, Ultra-small-angle nonreciprocal thermal radiation via bound states in the continuum-driven topological phase singularity pairs without magneto-optical dielectrics,Applied Physics Letters128, 143901 (2026).

論文鏈接：doi.org/10.1063/5.0314799

研究背景

非互易熱輻射的核心價(jià)值，在于它打破了傳統(tǒng)基爾霍夫定律所對(duì)應(yīng)的“發(fā)射率等于吸收率”的互易圖景，從而為太陽(yáng)能利用、熱光伏和輻射制冷等方向提供了新的調(diào)控自由度。近幾年，小角度非互易熱輻射尤其受到關(guān)注，因?yàn)楦鶕?jù)朗伯定律，輻射強(qiáng)度在接近法向的小角度方向更強(qiáng)，更有利于實(shí)際應(yīng)用。不過(guò)，現(xiàn)有大多數(shù)方案仍然依賴(lài)磁光材料、外加磁場(chǎng)或Weyl半金屬等特殊介質(zhì)，這在材料選擇和器件實(shí)現(xiàn)上都帶來(lái)限制。因此，一個(gè)很有意義的問(wèn)題是：能不能僅僅依靠幾何結(jié)構(gòu)本身，而不引入磁光介質(zhì)，就實(shí)現(xiàn)超小角度下的強(qiáng)非互易熱輻射。

研究?jī)?nèi)容

這項(xiàng)工作首先提出了一種傾斜多層超結(jié)構(gòu)-光子晶體復(fù)合體系。它由多層常規(guī)介質(zhì)和金屬銀單元組成，通過(guò)傾斜堆疊、非對(duì)稱(chēng)偏移和旋轉(zhuǎn)排布，構(gòu)造出一種具有方向選擇性的傳播路徑。這個(gè)體系最關(guān)鍵的一點(diǎn)在于，它并不依賴(lài)材料本身的磁光張量，而是通過(guò)結(jié)構(gòu)幾何打破正負(fù)入射方向上的傳播對(duì)稱(chēng)性，從而獲得非互易熱輻射響應(yīng)。換句話說(shuō)，這篇文章試圖證明，非互易并不一定非要來(lái)自材料“本征非互易”，也可以來(lái)自精心設(shè)計(jì)的空間幾何。

圖 1. （a）TMMPC 在繞角度 bbb 旋轉(zhuǎn)前的爆炸示意圖，顯示了 A–C 層、D1 層和 D2 層。（b）傾斜堆疊介質(zhì)序列的構(gòu)型示意（I型：A 層和C 層；II型：B 層）。（c）單元介質(zhì)元件的幾何參數(shù)，其中 dj表示在繞角度 a旋轉(zhuǎn)前，單元元件 1–6 沿 y方向的厚度；hi（i=A–C）表示在繞角度 a旋轉(zhuǎn)后，A–C 層沿 z軸方向的高度。（d）TMMPC 周期結(jié)構(gòu)的局部示意圖，其中h和u分別表示入射角和偏振角。（Epv：電場(chǎng)投影矢量；Hpv：磁場(chǎng)投影矢量。）

圖 2. （a）TMMPC 在正向傳播條件下的吸收光譜。（b）正向傳播條件下的非互易性參數(shù) g 。（c）TMMPC 在反向傳播條件下的吸收光譜。（d）反向傳播條件下的非互易性參數(shù) g 。

在具體性能上，文章展示了該結(jié)構(gòu)在TM偏振下的超小角度工作能力。在前向傳播時(shí)，入射角僅為 +0.3° 就可以實(shí)現(xiàn)接近1的吸收，而在對(duì)應(yīng)的 ?0.3° 方向吸收卻接近于0，于是在 12.90 μm 處得到高達(dá) 0.98 的非互易因子。更有意思的是，由于該結(jié)構(gòu)沒(méi)有金屬背板，它在后向傳播中還能表現(xiàn)出另一組相反方向的非互易響應(yīng)，也就是說(shuō)，同一個(gè)結(jié)構(gòu)同時(shí)具有前向和后向兩套可區(qū)分的輻射不對(duì)稱(chēng)行為。這使它相比普通單向非互易熱輻射器件，多出了一層空間調(diào)控維度。

圖 3. （a）在 h 5 = 0.1 μ m 時(shí)的透射率相位圖。（b）在h5 = 1.0 μ m 時(shí)的透射率相位圖。（c）不同入射角條件下的透射光譜。（d）入射角 h 與透射譜品質(zhì)因子（Q 因子）之間的關(guān)系。

圖 4. （a）初始透射相位分布及 TPSP。（b）在引入損耗后，透射相位分布及 TPSP 的湮滅。（c）在增大hc和d5后，透射相位分布及 TPSP 的再生。

為了說(shuō)明這種極強(qiáng)非互易響應(yīng)究竟從哪里來(lái)，文章進(jìn)一步引入了連續(xù)譜束縛態(tài)和拓?fù)湎辔黄纥c(diǎn)對(duì)的分析框架。結(jié)果表明，在某些參數(shù)下，結(jié)構(gòu)中會(huì)先出現(xiàn)一個(gè)與BIC相關(guān)的相位奇點(diǎn)；當(dāng)關(guān)鍵幾何參數(shù)發(fā)生變化后，這個(gè)單一奇點(diǎn)會(huì)分裂為一對(duì)攜帶相反拓?fù)潆姾傻南辔黄纥c(diǎn)，并在波長(zhǎng)-角度空間中形成不對(duì)稱(chēng)分布。正是這種不對(duì)稱(chēng)的拓?fù)湎辔黄纥c(diǎn)對(duì)，決定了在極小正角度處出現(xiàn)強(qiáng)吸收，而在對(duì)應(yīng)負(fù)角度處吸收被抑制。也就是說(shuō)，這篇文章把“非互易熱輻射”的起源，和“BIC驅(qū)動(dòng)的拓?fù)湎辔唤Y(jié)構(gòu)演化”直接聯(lián)系起來(lái)了。

圖 5. （a）在正向傳播、入射角為 +0.3° 時(shí)，TMMPC 中的功率流分布。（b）在正向傳播、入射角為 ?0.3° 時(shí)，TMMPC 中的功率流分布。（c）在反向傳播、入射角為 +0.3° 時(shí)，TMMPC 中的功率流分布。（d）在反向傳播、入射角為 ?0.3° 時(shí)，TMMPC 中的功率流分布。

圖 6. （a）在 +0.3° 入射條件下的正向吸收（F-A）與反向透射率（B-T）。（b）在 ?0.3° 入射條件下的反向吸收（B-A）與正向透射率（F-T）。

圖 7. （a）非互易性參數(shù)g隨B層高度 hB的變化關(guān)系。（b）非互易性參數(shù)g隨D1層高度 hD1的變化關(guān)系。（c）非互易性參數(shù)g 隨單元元件5厚度 h5的變化關(guān)系。（d）非互易性參數(shù)g單元元件傾斜角a的變化關(guān)系。

在此基礎(chǔ)上，作者還考察了奇點(diǎn)對(duì)的運(yùn)動(dòng)、湮滅和復(fù)現(xiàn)過(guò)程。當(dāng)在介質(zhì)中引入損耗后，原本存在的拓?fù)湎辔黄纥c(diǎn)對(duì)會(huì)消失，相位不再發(fā)生突變；但如果再同步調(diào)節(jié)另外幾個(gè)幾何參數(shù)，這對(duì)奇點(diǎn)又可以重新出現(xiàn)，并且位置與原始狀態(tài)接近。這說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的非互易行為并不是偶然的單點(diǎn)現(xiàn)象，而是受到一套較清晰的拓?fù)錂C(jī)制支配。與此同時(shí)，透射譜的Q因子在接近 0.3° 時(shí)達(dá)到最大，說(shuō)明這里對(duì)應(yīng)的是一個(gè)被極弱不對(duì)稱(chēng)激發(fā)出來(lái)的準(zhǔn)BIC態(tài)，這也進(jìn)一步支持了“BIC—拓?fù)淦纥c(diǎn)—非互易熱輻射”這條物理鏈條。

圖 8. （a）非互易性參數(shù) g 隨入射角 h 的變化關(guān)系。（b）非互易性參數(shù) g 隨偏振角 u
的變化關(guān)系。

圖 9. （a）在 TE 模式下正向傳播時(shí)的吸收率 a 、發(fā)射率 e 以及非互易性 ∣ g ∣ 。（b）在 TE 模式下反向傳播時(shí)的吸收率 a 、發(fā)射率 e 以及非互易性 ∣ g ∣ 。

最后，文章還分析了空間能流分布、幾何參數(shù)和偏振條件對(duì)結(jié)果的影響。能流圖顯示，在能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)吸收的那一側(cè)入射方向，電磁能量會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成明顯耦合和積聚；而在相反方向，能量幾乎不進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，表現(xiàn)為高透射、低吸收。進(jìn)一步掃描參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，這種非互易響應(yīng)對(duì)幾何參數(shù)變化具有一定穩(wěn)定性，而且不僅在TM偏振下成立，在TE偏振下同樣能夠?qū)崿F(xiàn)約 0.985 的強(qiáng)非互易因子。也就是說(shuō)，這個(gè)完全不含磁光介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，不僅把工作角度壓縮到了 0.3° 這一極小范圍，而且還能同時(shí)支持TE和TM兩種偏振模式。

結(jié)論與展望

這篇論文提出了一種不依賴(lài)磁光介質(zhì)的超小角度非互易熱輻射方案，其核心創(chuàng)新在于利用傾斜多層超結(jié)構(gòu)-光子晶體的純幾何構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似磁光材料才具備的非互易熱輻射行為。在具體性能上，該結(jié)構(gòu)在12.90 μm 處可在僅 0.3° 的入射角下實(shí)現(xiàn)高達(dá) 0.98 的非互易因子，這一指標(biāo)在現(xiàn)有小角度非互易熱輻射研究中相當(dāng)突出。更重要的是，文章并未停留在器件性能展示層面，而是進(jìn)一步揭示了其背后的物理本質(zhì)：連續(xù)譜束縛態(tài)在結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)激發(fā)下形成準(zhǔn)BIC，并進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)拓?fù)湎辔黄纥c(diǎn)對(duì)的產(chǎn)生、分裂、湮滅與復(fù)現(xiàn)，最終決定了正負(fù)角度下截然不同的吸收和發(fā)射行為。與此同時(shí)，該結(jié)構(gòu)還可同時(shí)支持TE和TM雙偏振模式，展現(xiàn)出較好的參數(shù)穩(wěn)定性。整體來(lái)看，這項(xiàng)工作把幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、BIC物理和拓?fù)湎辔黄纥c(diǎn)聯(lián)系到了一起，為非互易熱輻射器件提供了一條擺脫磁光材料依賴(lài)的新路徑，也為太陽(yáng)能利用、輻射制冷和光通信中的非互易調(diào)控提供了新的思路。

下面是會(huì)議通知：