本文由論文作者團隊（課題組）投稿

物理系統(tǒng)的對稱性，是指在某種變換過程中保持不變的物理性質(zhì)。

通常，對稱性可分為連續(xù)對稱性和離散對稱性兩種，其中連續(xù)對稱性與物理系統(tǒng)中的守恒定律緊密相關(guān)。例如， 時間平移對稱性對應(yīng)了系統(tǒng)的能量守恒。對稱性的存在還會引入相對應(yīng)的約束條件，從而決定了系統(tǒng)的某些物理性質(zhì)。反之，如果打破該對稱性，就能夠消除約束條件的限制并改變這些物理性質(zhì)。正因如此，對稱性的相關(guān)研究在物理學(xué)中一直占據(jù)著重要地位。

熱輻射作為一種普遍存在的物理現(xiàn)象，一般具有非定向、非相干、無偏振、寬光譜等特點。然而，近年的研究發(fā)現(xiàn)，采用微納光學(xué)結(jié)構(gòu)能夠有效調(diào)控?zé)彷椛涞姆较?、角度、偏振、光譜等性質(zhì)，這些研究成果推動了熱光子學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展。

在熱輻射調(diào)控中，對稱性破缺扮演了重要角色，這是因為物體的發(fā)射率和吸收率都是關(guān)于頻率、方向、偏振的函數(shù)，而改變熱輻射體的空間對稱性必然會導(dǎo)致發(fā)射率和吸收率相應(yīng)變化，使我們根據(jù)意愿與應(yīng)用需求有選擇的調(diào)控?zé)彷椛涞陌l(fā)射和吸收性質(zhì)。

近日，美國斯坦福大學(xué)Shanhui Fan教授團隊與中科院長春光機所李煒研究員團隊，從對稱性破缺的角度入手，綜述了基于微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的近場和遠場熱輻射調(diào)控的物理機制和最新進展，并展望了該方向的未來發(fā)展。

該成果以題為“Thermal Photonics with broken symmetries”的綜述論文發(fā)表在卓越計劃高起點新刊eLight。

該綜述主要探討并分析了多種非對稱熱光子學(xué)微納結(jié)構(gòu)的物理機制。根據(jù)微納結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的不同層次的非對稱性，該綜述從幾何結(jié)構(gòu)的非對稱性、電磁模式的不同對稱性、以及非互易性這三方面探討了其在熱輻射調(diào)控中的作用。

圖1：熱光子學(xué)中的對稱性破缺。綜述中重點討論的三類非對稱性：幾何結(jié)構(gòu)的非對稱性、電磁模式的不同對稱性、以及非互易性。

一．幾何結(jié)構(gòu)的非對稱性

幾何結(jié)構(gòu)的非對稱性是常見的一類非對稱性，各向異性、非周期性和手性等幾何非對稱微納結(jié)構(gòu)在熱輻射調(diào)控過程中能夠展現(xiàn)出不同物理現(xiàn)象和功能。利用棒狀結(jié)構(gòu)、光柵結(jié)構(gòu)、金屬-電介質(zhì)-金屬型超表面和光學(xué)天線等各向異性結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對熱輻射或吸收性質(zhì)的調(diào)控，上述結(jié)構(gòu)通過降低微納結(jié)構(gòu)單元在平面內(nèi)的空間對稱性，能夠有效控制熱輻射的偏振、相干性、光譜等性質(zhì)，并拓展熱輻射調(diào)控的應(yīng)用范圍。

在光學(xué)和熱輻射調(diào)控中，亞波長尺寸的周期性陣列結(jié)構(gòu)能夠大幅簡化設(shè)計和分析，但周期性的存在降低了系統(tǒng)的自由度，不能充分釋放微納結(jié)構(gòu)在熱輻射調(diào)控方面的潛力。另外，制備大面積的周期性微納結(jié)構(gòu)的成本較高，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。對于輻射降溫等應(yīng)用，通過對不同材料的優(yōu)化組合，利用非周期性的多層膜系結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)在太陽輻照波段的高反射和大氣窗口的高發(fā)射。另外，輻射降溫還可以通過納米顆粒復(fù)合材料來實現(xiàn)，利用納米顆粒的散射特性并選擇適當(dāng)?shù)幕w材料，能夠改善輻射降溫的性能并能夠?qū)崿F(xiàn)大面積制備。

手性結(jié)構(gòu)是一類不能和自身鏡像重合的結(jié)構(gòu)，打破結(jié)構(gòu)的鏡面對稱性和空間反轉(zhuǎn)對稱性能夠得到手性結(jié)構(gòu)。利用手性結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)熱輻射偏振調(diào)控和圓偏振熱輻射、熱輻射自旋分裂、光熱效應(yīng)中的圓二色性等物理現(xiàn)象，潛在應(yīng)用包括手性熱光源、手性納米顆粒探測、手性傳感等。

圖2：幾何結(jié)構(gòu)的非對稱性。包括各向異性（左圖）、非周期性（中圖）、手性結(jié)構(gòu)（右圖）。

二．電磁模式的不同對稱性

近年來，法諾共振和連續(xù)域的束縛態(tài)作為兩種特殊的光學(xué)狀態(tài)在熱輻射調(diào)控中也得到了廣泛關(guān)注，潛在應(yīng)用包括吸收/輻射譜的帶寬控制和新型熱輻射超表面等。兩者的物理機制都涉及到對電磁模式對稱性的操作，法諾共振通過亮模式和暗模式的相消干涉來實現(xiàn)非對稱并具有極高品質(zhì)因子的輻射峰。利用亮暗模式間的不同對稱性能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)域的束縛態(tài)，模式間的耦合強度可以通過改變折射率環(huán)進行調(diào)控，從而實現(xiàn)光吸收或熱輻射的開關(guān)等功能。

圖3：電磁模式的不同對稱性?；诜ㄖZ共振的窄帶熱輻射（左圖）和基于連續(xù)域的束縛態(tài)的吸收或熱輻射調(diào)控（右圖）。

三. 非互易性

洛倫茲互易性是麥克斯韋方程內(nèi)含的一種基本對稱性?；ヒ仔砸鬅彷椛湎到y(tǒng)具有相同的角光譜吸收率和反射率，因此降低了熱輻射系統(tǒng)的自由度和能量轉(zhuǎn)換過程中的效率。在線性熱光子學(xué)系統(tǒng)中，打破互易性的方法主要有兩類：即磁光效應(yīng)和時空調(diào)制。磁光材料的非對角介電張量引入了非互易性；而在基于行波調(diào)制的系統(tǒng)中，模式轉(zhuǎn)換過程中的動量匹配要求會產(chǎn)生非互易性。非互易熱光子學(xué)的潛在應(yīng)用包括提高光伏系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率和實現(xiàn)熱整流器件等。

圖4：熱光子學(xué)中的非互易性。利用磁光效應(yīng)（左圖）和時空調(diào)制（右圖）能夠打破洛倫茲互易性。

四. 總結(jié)與展望

該綜述強調(diào)了對稱性破缺在熱光子學(xué)中的重要性，深入討論并分析了幾何結(jié)構(gòu)的非對稱性、電磁模式的不同對稱性、非互易性在基于微納光學(xué)結(jié)構(gòu)熱輻射調(diào)控中的物理機制以及相關(guān)的熱光子學(xué)應(yīng)用。此外，最新研究表明，在非厄密系統(tǒng)和轉(zhuǎn)角微納結(jié)構(gòu)中，對稱性的破缺將會產(chǎn)生光學(xué)例外點等熱光子學(xué)新現(xiàn)象以及擴展調(diào)諧范圍的窄帶熱輻射器件等應(yīng)用。

| 論文信息 |

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

中科院長春光機所副研究員劉天際和斯坦福大學(xué)郭誠博士為論文共同第一作者，斯坦福大學(xué)Joseph and Hon Mai Goodman 特聘教授Shanhui Fan和中科院長春光機所李煒研究員為論文的共同通訊作者。

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