Nanophotonics：雙偏振寬帶非互易熱輻射

論文信息：J. Sui, S. Liao, H. Zhang, Simultaneous Broadband Nonreciprocal Thermal Emission for Transverse Magnetic and Electric Polarizations, Nanophotonics 15 (2026) e70046.

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/nap2.70046.

研究背景

在傳統(tǒng)熱輻射體系中，發(fā)射與吸收通常滿足互易性，這意味著熱輻射在不同方向上的傳播是對(duì)稱的。但在很多實(shí)際應(yīng)用中，例如熱管理、紅外隱身以及輻射能量定向輸出，人們更希望熱輻射能夠“偏向某一方向”釋放，從而實(shí)現(xiàn)更高效的能量利用。近年來(lái)，非互易熱輻射逐漸成為研究熱點(diǎn)，但現(xiàn)有方案大多局限于單一偏振態(tài)（如僅TM模式），且工作帶寬較窄，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。因此，如何在寬頻范圍內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)TE和TM兩種偏振的非互易輻射，成為當(dāng)前熱輻射調(diào)控領(lǐng)域中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

研究?jī)?nèi)容

研究首先提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)雙偏振非互易熱輻射的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，通過(guò)構(gòu)建具有各向異性與非對(duì)稱特征的光學(xué)體系，使得不同傳播方向上的電磁模式耦合條件發(fā)生改變，從而打破傳統(tǒng)的輻射對(duì)稱性。這一設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)寬帶非互易熱發(fā)射奠定了基礎(chǔ)。

圖1｜所提出超表面的示意圖及元原子結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。(a) 超表面由周期排列的傾斜 WSMs-金單元構(gòu)成，并置于金基底上。XYZ 和 xyz 分別表示全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系。每個(gè)單元繞 +X 軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)γ= 45°。φ表示平面 A 的方位角，在法線兩側(cè)對(duì)應(yīng)的入射角分別為 +θ 和 ?θ。插圖為七層 WSMs 的電子能帶結(jié)構(gòu)，其中動(dòng)量空間中一對(duì)相反手性Weyl節(jié)點(diǎn)之間的距離為2b，并假定其沿+Y 軸排列。(b) 七層梯度ENZ WSMs傾斜放置在金基底上，兩側(cè)覆蓋金膜 G1 和 G2。WSMs 的費(fèi)米能級(jí)自下而上依次為 EF1 到 EF7。圖中定義了三個(gè)觀察方向（藍(lán)色箭頭和眼睛圖標(biāo)）：View 1 為沿 ?X 軸方向的側(cè)視圖，View 2 為沿 ?Z 軸方向的俯視圖，View 3 為沿 +X 軸方向的側(cè)視圖。

在光譜響應(yīng)分析中，可以看到該結(jié)構(gòu)在較寬頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出明顯的方向依賴性發(fā)射特征，即在正向與反向傳播時(shí)的輻射強(qiáng)度存在顯著差異。這種差異不僅存在于單一頻點(diǎn)，而是覆蓋了連續(xù)的頻譜區(qū)間，體現(xiàn)出寬帶調(diào)控能力。

圖2｜TM 與 TE 模式下寬帶非互易熱輻射（NTR）的示意。(a) 互易吸收器（左）與非互易吸收器（右兩圖）的吸收率光譜對(duì)比。(b–d) 為 TM 模式下的電磁特性光譜，(e–g) 為 TE 模式下的電磁特性光譜。(b),(e) 在 θ = 60° 時(shí)，超表面的吸收率與發(fā)射率光譜呈現(xiàn)明顯分離，對(duì)應(yīng)各 WSMs 層的共振吸收/發(fā)射峰以藍(lán)色三角標(biāo)出。(c),(f) 在 θ = 60° 與 ?60° 條件下，超表面的同偏振與交叉偏振反射率。(d),(g) 在 θ = 60° 時(shí)的非互易性分布，藍(lán)色三角表示最大值及其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)。

進(jìn)一步的模式分析揭示了非互易性的物理來(lái)源。不同方向入射時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部激發(fā)的電磁模式（包括表面模與導(dǎo)模）發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致能量耦合效率的不對(duì)稱。這種由結(jié)構(gòu)非對(duì)稱性與材料響應(yīng)共同決定的模式差異，是實(shí)現(xiàn)非互易輻射的核心機(jī)制。

圖3｜一般情形下 WSMs 各層在形成寬帶非互易熱輻射效應(yīng)中的作用分析。(a) 七層梯度 ENZ WSMs 以垂直方式（γ = 0°）放置在金基底上。所有層的厚度均為 150 nm。沿 +Z 軸自下而上的費(fèi)米能級(jí) EF1~EF7 按表1賦值。φ 表示平面 A 的方位角，在法線兩側(cè)對(duì)應(yīng)的入射角分別為 +θ 和 ?θ。(b) 七層 WSMs 的介電張量曲線。不同費(fèi)米能級(jí)下 WSMs 薄膜中 εd 的實(shí)部 Re(εd) 以實(shí)線表示；虛線表示通過(guò)能量耗散函數(shù) Im(?1/εd) 得到的 Berreman 模峰值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)。(c) 介電張量 |εa| 與 |εd| 的比值。受 ENZ 影響的峰值對(duì)應(yīng)于 WSMs 出現(xiàn)最大非互易性的波長(zhǎng)。(d) 在 θ = 60°、φ = 0° 條件下，TM 和 TE 模式的吸收率與發(fā)射率光譜。TM 模式的兩條光譜發(fā)生分離，而 TE 模式的兩條光譜仍保持重合。藍(lán)色三角標(biāo)出了 WSMs 出現(xiàn) ENZ 的波長(zhǎng)位置。(e) 在 θ = 60°、φ = 26° 條件下，TM 和 TE 模式的吸收率與發(fā)射率光譜，此時(shí)兩種模式都出現(xiàn)了譜線分離。在選定的 λ = 9.08 μm 處，給出了入射角為 θ = 60° 和 ?60° 時(shí) TM 與 TE 模式下 Qdiss 的空間分布，分別對(duì)應(yīng)于 (f–i) φ = 0° 和 (j–m) φ = 26°。

在偏振維度上，該結(jié)構(gòu)突破了以往僅針對(duì)TM模式的限制，實(shí)現(xiàn)了TE與TM兩種偏振態(tài)下的同時(shí)非互易發(fā)射。通過(guò)對(duì)兩種偏振的輻射譜進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)其非對(duì)稱特性在不同偏振下均保持穩(wěn)定，從而顯著拓展了器件的應(yīng)用范圍。

圖4｜在 θ = 60°、φ = 26° 條件下，傾斜 WSMs-金單元的性能分析。(a) 所設(shè)計(jì)的傾斜 WSMs-金單元結(jié)構(gòu)。在方位角為 φ 的入射平面內(nèi)，入射波（紅色實(shí)線）以 θ = 60° 入射。局部坐標(biāo)系 xyz 投影到全局坐標(biāo)系 XYZ 上，并依據(jù) p 波與 s 波電場(chǎng)的投影方向定義了 u 軸與 v 軸。圖中設(shè)置了沿 ?Z 軸方向的俯視圖（view 2）以及沿 ?Y 軸方向的后視圖（view 4）。(b) TM 模式下同偏振與交叉偏振波的反射系數(shù)，在寬帶范圍內(nèi) rpp(60°) 小于 rsp(60°)。(c) TE 模式下同偏振與交叉偏振波的反射系數(shù)，在寬帶范圍內(nèi) rss(60°) 與 rps(60°) 均保持接近且較低。(d) TM 模式下的偏振旋轉(zhuǎn)角 ψ 與橢圓率角 χ。(e) TE 模式下的偏振旋轉(zhuǎn)角 ψ 與橢圓率角 χ。ψ 表示偏振波主軸相對(duì)于原始坐標(biāo)軸的偏離角度，取值范圍為 ?90° 到 90°；χ 表示橢圓率角，取值范圍為 ?45° 到 45°，其中 0° 表示線偏振，±45° 表示圓偏振。(f) 在 view 2 視角下，TM 與 TE 模式在 λ = 9.08 μm 和 10.97 μm 時(shí)激發(fā)的金膜表面感生電流分布。G1、G2 以及金基底表面上的電流方向以紅色實(shí)線箭頭標(biāo)出，電流被分解為 u 軸和 v 軸分量。(g) 在 view 4 視角下，TM 與 TE 模式在 λ = 9.08 μm 和 10.97 μm 時(shí)的 Qdiss 空間分布。

隨后，研究考察了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)非互易性能的影響，包括幾何尺寸、材料參數(shù)及入射條件等。結(jié)果表明，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，可以在非互易程度、帶寬以及發(fā)射效率之間實(shí)現(xiàn)有效平衡，為實(shí)際器件優(yōu)化提供了明確方向。

圖5 | 在 θ = ?60°、φ = 26° 條件下，斜置 WSMs-金單元的性能分析。(a) 所設(shè)計(jì)的斜置 WSMs-金單元。在方位角為 φ 的入射平面內(nèi)，入射波（紅色虛線）以 θ = ?60° 入射。設(shè)置了視圖2（沿 ?Z 軸方向的俯視圖）和視圖4（沿 ?Y 軸方向的后視圖）。（b）TM 模式下同偏振與交叉偏振的反射系數(shù)。在寬帶范圍內(nèi)，rpp(?60°) 與 rsp(?60°) 保持接近且處于較低數(shù)值。（c）TE 模式下同偏振與交叉偏振的反射系數(shù)。在較寬帶寬范圍內(nèi)，rss(?60°) 始終大于 rps(?60°)。（d）在視圖4下，TM 和 TE 模式于 λ = 9.08 μm 和 10.97 μm 處的 Qdiss 空間分布。（e）在視圖2下，TM 和 TE 模式入射波于 λ = 9.08 μm 和 10.97 μm 激發(fā)的金層表面感生電流。（f）在視圖2下，TM 和 TE 模式于 λ = 9.08 μm 和 10.97 μm 處的電場(chǎng)能量分布。

最后，通過(guò)綜合性能評(píng)估可以看出，該結(jié)構(gòu)在寬帶范圍內(nèi)均能維持較高的非互易發(fā)射對(duì)比度，同時(shí)兼顧較強(qiáng)的整體輻射能力。這表明其不僅在物理機(jī)制上具有創(chuàng)新性，也在實(shí)際應(yīng)用層面具備潛在價(jià)值。

圖6 | 平均發(fā)射率關(guān)于入射角 θ、方位角 φ 和傾斜角 γ 的分析結(jié)果，其中 (a)、(c)、(e) 對(duì)應(yīng) TM 模式，(b)、(d)、(f) 對(duì)應(yīng) TE 模式。紅色五角星標(biāo)示出在 8–14 μm 波段范圍內(nèi)平均發(fā)射率超過(guò) 0.7 的區(qū)域。(a)、(b)：超表面在 TM 和 TE 模式下，平均發(fā)射率隨入射角 θ 變化的極坐標(biāo)分布曲線，θ 的范圍為 ?90° 至 90°。(c)、(d)：在平面 A 的旋轉(zhuǎn)方位角 φ 從 0° 變化到 360° 時(shí)，超表面在 TM 和 TE 模式下平均發(fā)射率隨 φ 變化的曲線。(e)、(f)：當(dāng) θ = 60° 和 ?60° 時(shí)，斜置 WSMs-金單元的傾斜角 γ 從 0° 變化到 90° 過(guò)程中，TM 和 TE 模式下平均發(fā)射率的分布曲線。

結(jié)論與展望

這項(xiàng)工作圍繞非互易熱輻射這一前沿問(wèn)題，提出并實(shí)現(xiàn)了一種能夠同時(shí)支持TE與TM偏振的寬帶非互易發(fā)射結(jié)構(gòu)。不同于傳統(tǒng)依賴單一偏振或窄帶響應(yīng)的方案，該研究通過(guò)引入結(jié)構(gòu)非對(duì)稱性與各向異性耦合機(jī)制，在較寬頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了顯著的方向依賴輻射特性。其核心在于調(diào)控不同傳播方向下的電磁模式分布，使得能量耦合效率產(chǎn)生不對(duì)稱，從而打破傳統(tǒng)熱輻射的互易性限制。與此同時(shí)，該結(jié)構(gòu)在兩種偏振態(tài)下均保持穩(wěn)定的非互易響應(yīng)，顯著拓展了設(shè)計(jì)自由度和應(yīng)用場(chǎng)景。參數(shù)分析進(jìn)一步表明，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸與材料組合，可以在帶寬、發(fā)射效率與非互易程度之間取得良好平衡。總體來(lái)看，這項(xiàng)工作不僅深化了對(duì)非互易熱輻射物理機(jī)制的理解，也為實(shí)現(xiàn)高效、可調(diào)控的定向熱輻射器件提供了新的設(shè)計(jì)思路，在熱管理、紅外器件以及能量利用等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。