非厄米光子学拓宽了人们对开放系统中波传播的理解及其操纵。然而，由于非厄米光-物质相互作用、长程耦合等复杂因素，将拓扑特征压缩到深亚波长仍然是一个重大挑战。迄今为止，最前沿的探索仍然停留在互易拓扑光子态上。近日，新加坡国立大学仇成伟教授课题组通过在热光子系统中引入非互易表面波实现了超紧凑的热光子Fizeau拖拽，在深亚波长热光子晶格中发现了高达278倍的单向辐射场增强。相关成果以《Non-Hermitian Thermophotonic Funneling via Nonreciprocal Surface Waves》为题，发表于《Physical Review Letters》。该工作入选为Editors’ Suggestion，并且APS Physics Magazine在其Synopsis栏目以《Ultracompact Heat Funnels》为题对该工作进行了专题报道（链接：https://physics.aps.org/articles/v18/s62）。该论文第一作者为新加坡国立大学博士生杨水华、东南大学许国强教授以及哈尔滨工业大学周承隆副研究员，通讯作者为新加坡国立大学仇成伟教授。
由于天然材料有限的热导率以及缓慢的热传导过程，纳米尺度器件的热管理长期以来一直面临着重大挑战。在这里，近场热辐射提供了一种有趣的可能性，其中倏逝波为基于光子的热流提供了额外的传输通道，从而允许超普朗克辐射热流。通过对材料以及结构中对称性(空间，时间)的探索，人们已经揭示了通过各种类型的表面模式来增强辐射热传递。然而，如何理解以及利用近场所带来的巨大辐射增强仍然是一个亟待解决的议题。
另一方面，非厄米能带理论揭示了许多开放系统中操纵波的先进策略，可以期待将其融合到热光子系统将为鲁棒的能量操纵提供新的思路。在众多非厄米相关的现象中，非厄米趋肤效应（NHSE）作为一种革命性的波操纵方法脱颖而出，其中所有本征态在晶格边界处坍缩，破坏了传统的体-边界对应关系。NHSE背后的非厄米物理有望为非互易热光子学以及微纳尺度热功能器件设计带来新的可能性。尽管如此，深亚波长热光子系统中各种复杂因素（多体相互作用、矢量耦合以及非互易性）限制了我们直接应用非厄米能带理论。
在这里，研究团队考虑一维Su-Schrieffer-Heeger （SSH）热光子晶格，如图1（a）所示。具体来说，晶格由碳化硅纳米颗粒组成，其二聚化参数β通过控制粒子间距控制。在长链下方我们放置了一个石墨烯器件用于介导粒子间能量传输。石墨烯两端电极控制的面内偏置电压允许系统以无磁紧凑的方式激发非互易表面模式，其非互易反射谱以及色散如图1（b）所示。具体而言，非互易性可通过电调控石墨烯中载流子的漂移来实现，其中载流子的漂移速度与费米速度的比值记为f。进一步对热光子晶格的开边界本征能谱以及本征态进行分析我们可以找到带隙内的非平庸趋肤边界模式以及趋肤体模式。值得注意的是，由于非互易长程耦合的存在，我们还可以找到反常趋肤模式如图1（d）蓝色线所示。
图1. 拓扑非互易系统。（a）一维热光子漏斗示意图。（b）非互易石墨烯衬底在频率-动量空间中的反射系数虚部以及相应色散关系。（c）一维热光子晶格沿不同共振方向的本征频率。（d）对应（c）的本征态实空间分布。
接下来我们展示了通过调节二聚化参数来控制晶格拓扑相（图2a-c）。对于非平庸相（β>1），我们可以在带隙内观察到拓扑边界模式。在非互易系统中，带隙内拓扑模式的存在性以及趋肤方向需要在广义布里渊区进行计算。而对于体趋肤模式，则可以直接通过点隙拓扑进行衡量。在双带非互易系统中，可以观察到两个分离的点隙环，并且其卷绕方向与本征态趋肤方向紧密相关（图2d-f）。此外由于非互易长程耦合，点隙环呈现出复杂的形态并且还存在逆时针卷绕的反常点隙环。在特定的耦合参数下，这种双带热光子系统甚至还可以发生能带编织。然而在互易系统中，点隙环则退化为闭合的弧线并与开边界能谱重叠，表明趋肤效应的消失（图2g-i）。
图2. 深亚波长热光子晶格的拓扑性质。（a）-（c）不同共振方向上特征能谱与二聚化参数的关系。（d）-（f）非互易热光子晶格沿不同共振方向的复特征能谱。（g）-（i）互易热光子晶格沿不同共振方向的复特征谱。
为了定量评估热拖拽效应，我们计算了长链首端和末端粒子之间的光谱传热系数（图3a）。在整个特征谱中，光谱传热系数都表现出很强的非互易性，特别是在SiC纳米粒子的共振频率附近。对于无偏置衬底，粒子间的能量传递互易，并且比偏置衬底中的能量传递更弱。在没有衬底的情况下，这种衰减将进一步加剧。在图3（b）-（c）中，我们进一步研究了非互易性与二聚化参数和耦合距离的关系。可以看到随着分离距离的减小非互易性显著削弱，这是由于更远距离的纳米粒子激发的背向非互易表面模式。接下来在图3（d）-（f）中我们展示了面内和面外平面的局域态密度（LDOS）来可视化热光子漏斗效应。在互易衬底下，长链两端的辐射场增强了大约100倍（图3d）。而对于非互易衬底，我们获得了高达278倍的单向辐射场增强（图3e和f）。以上这些发现证实了从左端发射的能量几乎完全向右端倾泻，证明了一个高效的热光子拖拽。
图3.拓扑热光子漏斗。(a)长链首端和末端粒子之间的光谱传热系数。(b)不同距离纳米颗粒间的非互易性系数η随二聚化参数的变化。(c)不同石墨烯化学势下非互易表面模式的传播长度和纳米粒子间的光谱传热系数。(d)由互易衬底介导的面内LDOS。(e)由非互易衬底介导的面内LDOS。(f)由非互易衬底介导的面外LDOS。f表示石墨烯中载流子的漂移速度与费米速度的比值。
该工作架起了非厄米物理与热光子系统的桥梁，代表了非互易拓扑热光子学的先期理论探索。在非互易表面波和多体相互作用的共同驱动下，热光子系统表现出混合NHSE，其传输特性可以用拓展的非厄米能带理论来表征。此外，二聚化诱导的拓扑相变显著增强了系统的非互易性，在实空间观察到高达278倍的单向LDOS增强。这些发现将为纳米尺度热管理开辟了新的途径，并可以扩展到其他复杂系统，如电路、光子芯片和具有复杂相互作用的流体动力学系统。
论文链接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.196901
