论文信息：
Xiaohu Wu*, Zhaoxian Chen, and Feng Wu, Strong Nonreciprocal Radiation in a InAs Film by Critical Coupling with a Dielectric Grating, ES Energy & Environment, 2021.
通讯作者：吴小虎，副研究员，山东高等技术研究院，xiaohu.wu@iat.cn
研究背景
基尔霍夫定律约束了热辐射的传播规律，即光谱方向发射率与吸收率相等。磁光材料作为一种非互易材料，其光谱方向发射率不等于吸收率，因此违反了传统的基尔霍夫定律，这在能量收集和红外伪装等方面具有潜在的应用前景。然而，磁光材料在红外波段通常具有较弱的非互易性，这极大地阻碍了在热辐射中的应用。因此，迫切需要提出在红外波段实现强非互易性的解决方法。以往的研究表明，磁光材料在外加磁场下可以实现非互易性，且磁场强度越大非互易性越强。然而，在实际应用中，尽可能小的外加磁场才是更可取的。因此，如何在尽可能小的外加磁场下，实现磁光材料在红外波段的强非互易性，是目前需要解决的问题，具有重要的研究意义。
研究内容
图1. 提出的强非互易辐射结构示意图。该结构由InAs薄膜和均匀银层上的硅光栅组成，光栅的填充比和周期为f和P。在z方向上施加了一个外部磁场。
图2. 入射角为54.75°时的吸收率和发射率光谱：(a) 图1所示结构；(b)单独InAs薄膜，厚度为1.3 μm。
图3. 当磁场为2 T时，入射角为54.75°处的模拟和理论吸收光谱。
图4. 波长15.835 μm下磁场沿z轴的标准值分布：(a)入射角为 54.75°；(b)入射角为-54.75°。入射磁场的大小被设置为单位值。
图5. 入射角为54.75°时吸收率光谱随光栅的损失而变化。磁场为2 T。
图6. 在入射角为54.75°时，吸收率和发射率光谱随InAs薄膜的厚度而变化。磁场为2 T。
最后，我们分析了光栅参数对吸收率和发射率的影响，如图7所示。将图7(a) 中所示的结果与图2(a)比较，可以看到，随着光栅周期的增加，吸收率和发射率的峰值会转移到更长的波长。此外，还可以得到完美的吸收率和发射率。从图7(b)中可以看出，吸收率和发射率对光栅的填充比不敏感，因为吸收率和发射率峰值的位移很小。如图7(c)所示，吸收率和发射率也对光栅的厚度不敏感。此外，在这种情况下，也不能获得完美的吸收率和发射率。原因是光栅的厚度会影响光栅的外泄损耗，从而影响临界耦合。通过调整InAs膜的固有损耗，可以实现完美的吸收率和发射率。
图7. 吸收率和发射率光谱随光栅参数的变化：(a)周期P；(b)填充比f；(c)厚度d2。
结论与展望
综上所述，我们提出了一种纳米光子设计，可以在2 T外加磁场下在波长15.835 μm处实现强非互易辐射，所需的外加磁场小于以往文献中所报道的数值。其基本机理可归因于InAs薄膜中的固有损耗与介质光栅中的外泄损耗之间的临界耦合，并通过耦合模式理论和磁场分布证实了这一机理。这项工作具有实际意义，将为利用非互易辐射提供一种新的方法。
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