研究人员设计了控制热辐射的新方法

　　

　　

　　曼彻斯特大学的国家石墨烯研究所领导了一个国际团队，设计了一种控制热辐射的新方法，详细信息发表在《科学》杂志上。这一突破提供了超越传统材料的新设计策略，对热管理和伪装技术具有重要意义。

　　包括宾夕法尼亚州立大学工程学院、土耳其Koc大学和奥地利维也纳理工大学在内的国际团队已经开发出一种独特的界面，可以从两个具有不同几何特性的表面局部释放热量，从而创造出“完美”的热发射器。该平台可以从单位发射率的特定、包含发射区域发射热光。

　　曼彻斯特大学二维器件材料教授Coskun Kocabas解释说:“我们已经展示了一类新的热器件，使用了拓扑学(研究几何物体性质的数学分支)和非厄米光子(研究光及其在损失、光学增益和某些对称性下与物质相互作用的蓬勃发展的研究领域)的概念。”

　　该团队表示，这项工作可以推进热光子的应用，以更好地产生、控制和探测热辐射。宾夕法尼亚州立大学工程科学和力学教授Sahin Ozdemir说，这项工作的一个应用可能是在卫星上。

　　面对大量的热和光暴露，配备该界面的卫星可以沿着研究人员设计的一个特别指定的区域以单位发射率发射吸收辐射，该区域非常狭窄，并且被认为是必要的任何形状。

　　不过，奥兹德米尔表示，要达到这一点并不容易。他解释说，部分问题在于只在界面处创建一个完美的热吸收-发射体，而形成界面的其他结构保持“冷”，即不吸收也不发射。

　　“建造一个完美的吸收-发射体——一个完美地吸收所有入射辐射的黑体——被证明是一项艰巨的任务，”Ozdemir说。

　　然而，研究小组发现，通过将光捕获在由部分反射的第一面镜子和完全反射的第二面镜子组成的光学腔内，可以以理想的频率构建一个光学腔:从第一面镜子部分反射的入射光和仅在两个镜子之间被捕获后才被反射的光完全相互抵消。由于反射被完全抑制，光束被困在系统中，被完全吸收，并以热辐射的形式发射出去。

　　为了实现这样的界面，研究人员开发了一个空腔，其中堆叠了厚金层，可以完美地反射入射光，而薄铂层可以部分反射入射光。铂层也作为一个宽带热吸收-发射。在两个镜子之间是一种透明的介电物质，叫做聚苯乙烯- c。

　　研究人员可以根据需要调整铂层的厚度，以诱导入射光被困在系统中并被完全吸收的临界耦合条件，或者将系统从临界耦合转移到无法发生完美吸收和发射的亚临界或超临界耦合。

　　“通过在同一介质层上拼接厚度分别小于和大于临界厚度的两个铂层，我们创建了两个腔的拓扑界面，在那里完美的吸收和发射受到限制。“关键是，形成界面的空腔没有处于临界耦合条件，”曼彻斯特大学的研究助理、第一作者M. said Ergoktas说

　　该研究的共同作者、维也纳科技大学理论物理学教授Stefan Rotter表示，这一发展挑战了该领域对热辐射的传统理解，“传统上，人们一直认为热辐射不具有拓扑性质，因为它具有非相干性。”

　　根据科卡巴斯的说法，他们建立控制辐射的拓扑系统的方法对科学家和工程师来说很容易获得。

　　Kocabas说:“这可以简单到将薄膜分成两个不同厚度的区域，这样一边满足亚临界耦合，另一边处于超临界耦合状态，将系统划分为两个不同的拓扑类。”

　　根据宾夕法尼亚州立大学博士后学者、论文合著者Ali keecebas的说法，所实现的界面表现出完美的热发射率，受到反射拓扑结构的保护，并“表现出对局部扰动和缺陷的鲁棒性”。

　　该团队通过实验和数值模拟证实了该系统的拓扑特征，以及它与著名的非厄米物理和被称为特殊点的谱简并的联系。

　　“这只是人们在热域中使用非厄米性拓扑所能做的事情的一瞥。需要进一步探索的一件事是观察我们的理论和数值模拟预测的界面上的两种反传播模式，”科卡巴斯说。