论文信息：
Zhenong Zhang and Linxiao Zhu, Nonreciprocal Thermal Photonics for Energy Conversion and Radiative Heat Transfer, Physical Review Applied 18, 027001(2022).
论文链接：
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.027001
控制发射和吸收以及辐射换热对光子能量转换和热管理具有重要意义。然而，在满足洛伦兹互易的系统中，发射和吸收的互易以及辐射传热的互易对一系列光子能量转换技术和热管理提出了基本的限制。打破洛伦兹互易不仅为先进的热辐射与吸收控制提供了重要机会，而且为从根本上改善光子能量转换提供了途径。本文综述了非互易材料中非互易光子能量转换和辐射换热的研究进展。
作者首先讨论了使用非互易系统可以在热力学极限实现光子能量转换。为了实现基于非互易系统的能量转换，开发非互易发射体和吸收体是至关重要的。作者从一个接近热力学极限的非互易系统出发(图1a)，发现该系统收集辐射的效率接近Landsberg极限，并且在一定的环境下远超互易系统收集辐射的极限效率。在基于反射的装置中(图1b)，通过使用基于非互易发射器的太阳能电池，其效率显著高于对称光伏电池的极限效率。最近，出现了基于半透明非互易吸收体的非互易多结太阳能电池，提出了一种达到Landsberg极限的简化方案(图1c)。然后又介绍了一种采用Landsberg方案收集热辐射的装置(图1d)，发现其功率输出远超互易系统，突出了使用非互易系统收集输出热辐射的巨大潜力。
图1. 收集入射辐射和发射辐射的Landsberg极限。
然后作者讨论了非互易发射和吸收的最新进展，以及打破洛伦兹互易的材料的辐射传热。要达到收集入射辐射、收集出射辐射、热光电伏，并同时收集太阳和外层空间的热力学极限，必须打破洛伦兹互易性。作者首先讨论了使用磁响应实现非互易发射和吸收，这里有两种材料，一种是利用外加磁场实现非互易性的磁光材料，另一种则是无需外加磁场便可实现非互易的磁性外尔半金属(WSM)。对于磁光材料，这里介绍了在铝顶部加一层n-InAs光栅的结构(图2b)，可以看到，在外加磁场为3T时几乎完全打破了基尔霍夫定律。对于外尔半金属，首先是基于Voigt几何的WSM光栅(图2e)，直接计算表明，在TM极化中，基尔霍夫热辐射定律可以在没有磁场的情况下得到强烈的分解(图2(f))。在另一项研究中，考虑在WSM上放置介质光栅(图2(h))。如图2(i)实线所示，两个相反方向的吸收率对比强烈。
然后作者讨论了通过时间调制使用时变系统来实现非互易发射和吸收，时间调制为打破洛伦兹互易性提供了一种无磁的选择。基于时变系统的非互易发射和吸收在无线电频率上被实验证明，这里是设计了一个周期性加载的开式波导，如图3(a)和3(b)所示。电容器的空间和时间调制产生带内转换，导致非互易辐射。当没有调制时，在相同的频率下，测量发射和接收的辐射是相同的。另一方面，当存在强调制时，在相同的频率和角度下，发射和接收的辐射对比可以达到15 dB(图3(c) -3(f))。值得注意的是，目前最先进的石墨烯调制器的本征调制频率为150 GHz，比300 K时热辐射的峰值频率小约2个数量级。因此，利用时间调制打破互易关系可以实现非互易热辐射。
图3. 基于时空调制的非互易天线。
接着作者又讨论了利用克尔(Kerr)非线性实现非互易发射和吸收，在偏振与电场呈非线性关系的非线性材料中，洛伦兹互易性可以被打破。利用Kerr χ(3)非线性控制热辐射需要考虑一个三谐振腔系统，这样一个方案的物理构造涉及到一个ITO吸收器(谐振器3)和SiC发射器(谐振器1)，与非线性 χ(3)间隔(图4(a))。基于耦合模理论的计算表明，即使两个衬底处于相同的温度下，SiC发射极也会提取热量(图4(c))，从SiC发射器提取的热量随着激光强度的增加而增加，可以大大超过300和0 K之间温差驱动的辐射换热。作者又进一步分析了低损耗介质谐振系统中的近场制冷(图4(d))，该系统包括一个二氧化硅发射体和一个由AZO、CG层和介质光栅组成的吸收体。研究表明，克尔非线性在制冷方面具有巨大的潜力。
图4. 基于Kerr非线性的热提取
此外，作者又讨论了非互易材料中的辐射传热。利用磁响应时变系统和光学非线性打破洛伦兹互易为实现非互易发射和吸收提供了途径，这是发展基于非互易器件的光子能量转换和热管理的必要条件。另一方面，人们对使用非互易材料来控制辐射传热有很大的兴趣，这导致了一系列有趣的现象。
首先是热平衡时的持续热流。传热通常是由温度梯度驱动的。然而，在电荷和质量现象，如超导和超流，可以存在一种没有任何外部偏压的电流。最近，有人指出，在打破洛伦兹互易的多体系统中，热平衡状态下可以存在持续的热流。这里介绍了由三个n-InSb球组成的三体系统，外加磁场正交与球的平面(图5a)。当外部磁场为3T时，在热平衡状态下，球体和环境中的热噪声源驱动下的Poynting磁通显示出持续的热电流(图5(b))。在外加磁场作用下，两个相反方向的物体之间的换热谱表现出强烈的对比(图5(c))。相反，当没有外部磁场时，两个相反方向的换热谱完全相同，如图5(d)所示。由此得到，为了使持续的热流存在，洛伦兹互易必须被打破。
图5. 热平衡时的持续热流。
然后是非互易的热二极管。热二极管允许热量在正向温度偏置中流动，但在反向温度偏置中阻止热量流动。这里介绍了一种由非互易表面等离激元驱动的非互易热二极管，该系统由两个在InSb衬底上的InSb磁光纳米颗粒组成(图6(a))。在外部磁场作用下，InSb衬底支持非互易表面等离子极化激元，驱动两个粒子之间的非互易辐射换热。在1 T磁场下，粒子间距离为1µm时，可以预测出约0.9的高整流系数(图6(b))。还有一种无磁非互易热二极管，其互易性被漂移电流破坏，该系统由石墨烯层上的两个SiC纳米颗粒组成(图6(c))。在由漂移偏压石墨烯光栅支撑的非互易双曲表面等离子体激元驱动的非互易热二极管中，整流系数可以进一步增强。此外，对于使用非互易材料来控制辐射传热还导致了一些其他有趣的现象，比如光子热霍尔效应与反常光子热霍尔效应和热磁阻和热路径。
最后，作者讨论了非互易热光子学在能量转换和辐射换热领域面临的挑战，并展望了未来的研究方向。首先，非互易发射体和吸收体通常在狭窄的带宽内工作，宽带互易热发射是利用超材料和超表面实现的，双频非互易发射体使用光栅和多层膜设计。第二，非互易发射通常发生在相当大的角度。第三，现有的非互易发射体设计只适用于TM偏振，而TE偏振的发射和吸收是互易的。
无论打破洛伦兹互易性的机制是什么，现在都缺乏非互易热光子的实验。首先，使用磁光材料在实验上实现非互易发射和吸收的一个挑战是需要一个相对较大的磁场，约为几T或较窄的带宽。其次，对于基于时间调制的非互易能量转换和传热，需要具有高带宽、大振幅和低功耗的调制。第三，非线性辐射换热具有控制热流的潜力。
非互易热光子学在理论和实验上的丰富现象和进展，对基础技术的进步和技术应用产生了重大影响。非互易发射体和吸收体通过分别控制两种过程来控制热发射和热吸收，这是两种完全不同的方法。此外，非互易发射体和吸收体提供了应用的机会，如提高太阳能电池的能量转换，热光伏和收集发出的热辐射;发射与吸收解耦的通信系统。最后，非互易材料中的辐射传热不仅突出了热流这一有趣的现象，而且还指出了热路由器、热二极管和热磁测量等应用。
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