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扭转双曲材料实现强自旋热辐射

扭转双曲材料实现强自旋热辐射 两江科技评论
2023-12-29
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导读:近日,山东高等技术研究院吴小虎课题组基于扭转双曲材料实现了具有强圆二色性和高品质因子的自旋热辐射。


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撰稿|由课题组供稿

导读


近日,山东高等技术研究院吴小虎课题组基于扭转双曲材料实现了具有强圆二色性和高品质因子的自旋热辐射。相关成果以Spin-selective thermal radiation with near-perfect circular dichroism in twisted hyperbolic materials”为题发表在International Journal of Thermal Sciences期刊上(DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2023.108853)。西北工业大学博士研究生吴必园为论文第一作者,山东高等技术研究院吴小虎教授和西北工业大学黄希桥教授为论文的通讯作者,西北工业大学为论文的第一署名单位。


研究背景

热辐射是指在物体受到温度影响时产生的电磁发射现象,而所有温度高于绝对零度(−273.15◦C)的物体均会发生热辐射。当前大部分研究不论是近场还是远场的热辐射往往是线偏振的,而实现与偏振相关的热辐射可以通过采用各向异性材料或微纳结构,例如光栅结构等。线偏振相关的热辐射在多个领域具有广泛的应用前景,包括热管理、热成像以及热探测等方面。有趣的是,自然界中的结构,无论是小如DNA双螺旋还是大如地球从宇宙天体中接收到的热辐射,都与圆偏振态息息相关。然而,相对应的自旋热辐射在研究中往往被忽视,这为未来的研究提供了一个引人深思的方向。


对称性破缺的手性结构在波前整形、成像以及生物传感等领域具有广泛的应用。此外,这些手性结构在诱导自旋热辐射中发挥着关键作用。自旋热辐射作为对称破缺系统中一种独特的现象,具有重要的基础科学和应用意义,其潜在应用领域涵盖手性纳米粒子的探测和辐射检测等方面。然而,由于自然手性结构中分子波函数的空间扩展有限,导致光-物质的电磁相互作用相对较弱,限制了自旋热辐射的强度。为克服这一挑战,研究者提出了多种策略以有效增强自旋热辐射的特性。其中主要的方法是利用手性超材料或超表面来破坏旋转对称和镜像对称,从而实现强的自旋热辐射特性。然而,这些微纳结构往往复杂且相关应用通常受限于有限的圆二色性和品质因子。因此,发展结构简单且高效的方法,实现具有高圆二色性和Q因子的自旋热辐射具有重要的意义。

研究亮点

针对上述问题,本研究提出了一种基于扭转双曲材料α-MoO3的自旋热辐射器,如图1所示。图 1(a) 展示了所提出的自旋热辐射器,从上至下依次是α-MoO3SiO2α-MoO3Ag基底。顶层的α-MoO3薄膜相对基底具有的相对旋转角度,旨在打破结构的整体对称性。图 1(b)显示了 α-MoO3 介电常数的实部。据观察,在波长 10.2 μm12.2 μm 18.3 μm 附近,介电常数有明显的阶跃,这与ε-近零模式(ENZ)相对应。这一特性使得材料在特定波长范围内表现出卓越的性能,为自旋热辐射提供了有力的支持。

1 (a) 自旋热辐射器的示意图。(b) α-MoO3 介电常数的实部。


2通过优化结构参数,例如薄膜厚度、旋转角度等,成功实现了近乎完美的圆二色性(CD=0.99)和高品质因子的自旋热辐射。为了更好地展示所提结构的强自旋热辐射特性,图中呈现了最佳结构参数下的吸收光谱和CD光谱。从图 3(a)中可以发现,当右旋圆偏振波(RCP)入射时,吸收率接近于 1,而当左旋圆偏振波(LCP)入射时,吸收率则明显降低。因此,CD值(绿色虚线)接近于 1。在本研究中,在波长为 20 μm 时,Q 因子等于 64.10。此外,在 ENZ 模式的另一个波长附近也观察到了CD 增强现象,而且通过优化结构参数也可以实现强旋转热辐射。


2 (a-c) 旋转角度对吸收率和CD的影响。d1 = 0.9 μmd2 = 0.5 μmd3 = 0.9 μm;(d-fSiO2 α-MoO3的厚度对吸收和相应CD的影响,此时旋转角度为;(g-i)扭转α-MoO3薄膜厚度对吸收率和CD的影响。d2 = 0.5 μm,旋转角度为;(ad gRCP 波入射时的吸收率,(be hLCP 波入射时的吸收率以及(cf iCD


扭转α-MoO3ENZ模式下表现出卓越的自旋选择性热辐射。这一特性通过反射波中的共极化和交叉极化分量,以及电场分量分布中得到了证明。强自旋热辐射源于左旋圆极化波和右旋圆极化波之间的交叉极化转换。


3 (a)最佳结构参数下结构的吸收率和CD(b)共极化和交叉极化反射系数;(c)反射系数的相位与波长的函数关系;(d-i)电场模和电场分量|Ex||Ey|分布。(d-fLCP和(g-iRCP波。


最后,对入射角度对结构性能的影响进行了讨论,具体见图4。从图4(c)可观察到,在波长为20 μm处,当入射角度小于60°时,CD仍然保持在0.8以上。这表明,所提出的自旋热辐射器在大角度入射情况下仍能维持出色的性能。


4 入射角对 (a) RCP 波和 (b) LCP 波吸收的影响以及 (c) 相应的CD

总结与展望


总体而言,本文系统地研究了α-MoO3/SiO2/α-MoO3/Ag 结构的自旋热辐射特性。通过调整旋转角度和各层厚度,成功实现了强烈的自旋热辐射。尤为重要的是,由于α-MoO3ENZ模式,自旋热辐射呈现出高品质因子。通过计算得出LCPRCP之间的偏振转换现象进一步验证了强自旋热辐射。这一研究的结论有望在手性探测器、手性传感以及非对称光催化等领域得到应用。


Biyuan Wu, Xiaohu Wu, Hongju Li, Haotuo Liu, and Xiqiao Huang, Spin-selective thermal radiation with near-perfect circular dichroism in twisted hyperbolic materials, International Journal of Thermal Sciences 197, 108853 (2024).


https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2023.108853

作者介绍】

吴小虎,山东高等技术研究院研究员,山东省优青,山东省泰山学者青年专家,国际传热传质中心理事会成员,济南市科协科技创新智库专家服务团成员, 上海市热物性大数据服务中心青年委员会委员。2019年博士毕业于北京大学(佐治亚理工学院联合培养),荣获北京市优秀毕业生、北京大学优秀毕业生。主要从事辐射换热、太阳能光热利用、微纳光子学等领域的研究,以第一或通讯作者在OpticaRenewable EnergyACS PhotonicsNanophotonicsNanoscaleMaterials Today PhysicsACS Applied Materials & InterfacesSCI期刊发表论文100余篇,入选美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家(2023榜单。其博士论文被评为北京大学优秀博士论文,并被Springer出版社全英文出版。其双曲材料的工作入选美国光学学会2020年度全球30项光学进展“Optics in 2020”。同时获得多项荣誉,包括国际传热传质中心Hartnett-Irvine Award2019)、中国新锐科技人物突出成就奖(2020)、福布斯中国30 30岁以下科技精英(2021)、中国新锐科技人物创新贡献奖(2022)、济南市历城区十大杰出青年(2022)、济南市青年创新先锋(2022)、济南榜样(2022)、山东省省直机关优秀共产党员(2023)、影响济南科技人物(2023)、济南市优秀自然科学学术成果一等奖(2023)。主持国家和山东省科研项目4项。授权发明专利1项,软件著作权5项。担任《Clean Energy Science and Technology》编委,《Energy Storage and Saving》,《SmartMat》,《Carbon Neutrality》,《应用光学》,《东北电力大学学报》等期刊的青年编委。创办热辐射与微纳光子学微信公众号,并举办热辐射研究生研讨会,致力于学术分享与传播。


黄希桥,女,教授,博导,西北工业大学动力与能源学院教师。主要研究方向是航空发动机燃烧与流动,脉冲爆震燃烧基础应用研究,燃烧诊断技术。主持国家某重大专项重点项目、国家自然基金面上项目、航空基金、陕西省基金等10余项,以团队骨干参与国防科研重点项目、空装预研项目和其它重大项目2000余万元。曾获国防科技进步二等奖3次,陕西省教学成果特等奖1次,多次获西北工业大学优秀奖教金三八红旗手等荣誉称号。主讲国家精品课程《航空发动机燃烧学》和双语课程《The jet engine》,所在教学团队被评为陕西省优秀教学团队。主编西北工业大学规划教材《航空发动机燃烧学》1部,十三五国家重点出版规划专著《脉冲爆震涡轮发动机技术》1部,发表学术论文40余篇,其中被SCIEI收录近30篇,获得发明专利7项。


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