eLight·封面 | 热辐射调控：对称性破缺

本文由论文作者团队（课题组）投稿

物理系统的对称性，是指在某种变换过程中保持不变的物理性质。

通常，对称性可分为连续对称性和离散对称性两种，其中连续对称性与物理系统中的守恒定律紧密相关。例如， 时间平移对称性对应了系统的能量守恒。对称性的存在还会引入相对应的约束条件，从而决定了系统的某些物理性质。反之，如果打破该对称性，就能够消除约束条件的限制并改变这些物理性质。正因如此，对称性的相关研究在物理学中一直占据着重要地位。

热辐射作为一种普遍存在的物理现象，一般具有非定向、非相干、无偏振、宽光谱等特点。然而，近年的研究发现，采用微纳光学结构能够有效调控热辐射的方向、角度、偏振、光谱等性质，这些研究成果推动了热光子学领域的快速发展。

在热辐射调控中，对称性破缺扮演了重要角色，这是因为物体的发射率和吸收率都是关于频率、方向、偏振的函数，而改变热辐射体的空间对称性必然会导致发射率和吸收率相应变化，使我们根据意愿与应用需求有选择的调控热辐射的发射和吸收性质。

近日，美国斯坦福大学Shanhui Fan教授团队与中科院长春光机所李炜研究员团队，从对称性破缺的角度入手，综述了基于微纳光学结构的近场和远场热辐射调控的物理机制和最新进展，并展望了该方向的未来发展。

该成果以题为“Thermal Photonics with broken symmetries”的综述论文发表在卓越计划高起点新刊eLight。

该综述主要探讨并分析了多种非对称热光子学微纳结构的物理机制。根据微纳结构所对应的不同层次的非对称性，该综述从几何结构的非对称性、电磁模式的不同对称性、以及非互易性这三方面探讨了其在热辐射调控中的作用。

图1：热光子学中的对称性破缺。综述中重点讨论的三类非对称性：几何结构的非对称性、电磁模式的不同对称性、以及非互易性。

一．几何结构的非对称性

几何结构的非对称性是常见的一类非对称性，各向异性、非周期性和手性等几何非对称微纳结构在热辐射调控过程中能够展现出不同物理现象和功能。利用棒状结构、光栅结构、金属-电介质-金属型超表面和光学天线等各向异性结构可以实现对热辐射或吸收性质的调控，上述结构通过降低微纳结构单元在平面内的空间对称性，能够有效控制热辐射的偏振、相干性、光谱等性质，并拓展热辐射调控的应用范围。

在光学和热辐射调控中，亚波长尺寸的周期性阵列结构能够大幅简化设计和分析，但周期性的存在降低了系统的自由度，不能充分释放微纳结构在热辐射调控方面的潜力。另外，制备大面积的周期性微纳结构的成本较高，不利于工业化生产。对于辐射降温等应用，通过对不同材料的优化组合，利用非周期性的多层膜系结构能够实现在太阳辐照波段的高反射和大气窗口的高发射。另外，辐射降温还可以通过纳米颗粒复合材料来实现，利用纳米颗粒的散射特性并选择适当的基体材料，能够改善辐射降温的性能并能够实现大面积制备。

手性结构是一类不能和自身镜像重合的结构，打破结构的镜面对称性和空间反转对称性能够得到手性结构。利用手性结构能够实现热辐射偏振调控和圆偏振热辐射、热辐射自旋分裂、光热效应中的圆二色性等物理现象，潜在应用包括手性热光源、手性纳米颗粒探测、手性传感等。

图2：几何结构的非对称性。包括各向异性（左图）、非周期性（中图）、手性结构（右图）。

二．电磁模式的不同对称性

近年来，法诺共振和连续域的束缚态作为两种特殊的光学状态在热辐射调控中也得到了广泛关注，潜在应用包括吸收/辐射谱的带宽控制和新型热辐射超表面等。两者的物理机制都涉及到对电磁模式对称性的操作，法诺共振通过亮模式和暗模式的相消干涉来实现非对称并具有极高品质因子的辐射峰。利用亮暗模式间的不同对称性能够实现连续域的束缚态，模式间的耦合强度可以通过改变折射率环进行调控，从而实现光吸收或热辐射的开关等功能。

图3：电磁模式的不同对称性。基于法诺共振的窄带热辐射（左图）和基于连续域的束缚态的吸收或热辐射调控（右图）。

三. 非互易性

洛伦兹互易性是麦克斯韦方程内含的一种基本对称性。互易性要求热辐射系统具有相同的角光谱吸收率和反射率，因此降低了热辐射系统的自由度和能量转换过程中的效率。在线性热光子学系统中，打破互易性的方法主要有两类：即磁光效应和时空调制。磁光材料的非对角介电张量引入了非互易性；而在基于行波调制的系统中，模式转换过程中的动量匹配要求会产生非互易性。非互易热光子学的潜在应用包括提高光伏系统的能量转换效率和实现热整流器件等。

图4：热光子学中的非互易性。利用磁光效应（左图）和时空调制（右图）能够打破洛伦兹互易性。

四. 总结与展望

该综述强调了对称性破缺在热光子学中的重要性，深入讨论并分析了几何结构的非对称性、电磁模式的不同对称性、非互易性在基于微纳光学结构热辐射调控中的物理机制以及相关的热光子学应用。此外，最新研究表明，在非厄密系统和转角微纳结构中，对称性的破缺将会产生光学例外点等热光子学新现象以及扩展调谐范围的窄带热辐射器件等应用。

| 论文信息 |

Liu, T., Guo, C., Li, W., and Fan, S., Thermal photonics withbroken symmetries. eLight 2, 25 (2022). 

https://elight.springeropen.com/articles/10.1186/s43593-022-00025-z

中科院长春光机所副研究员刘天际和斯坦福大学郭诚博士为论文共同第一作者，斯坦福大学Joseph and Hon Mai Goodman 特聘教授Shanhui Fan和中科院长春光机所李炜研究员为论文的共同通讯作者。

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