Nanophotonics：雙偏振寬帶非互易熱輻射

論文信息：J. Sui, S. Liao, H. Zhang, Simultaneous Broadband Nonreciprocal Thermal Emission for Transverse Magnetic and Electric Polarizations, Nanophotonics 15 (2026) e70046.

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/nap2.70046.

研究背景

在傳統熱輻射體系中，發射與吸收通常滿足互易性，這意味著熱輻射在不同方向上的傳播是對稱的。但在很多實際應用中，例如熱管理、紅外隱身以及輻射能量定向輸出，人們更希望熱輻射能夠“偏向某一方向”釋放，從而實現更高效的能量利用。近年來，非互易熱輻射逐漸成為研究熱點，但現有方案大多局限于單一偏振態（如僅TM模式），且工作帶寬較窄，難以滿足實際應用需求。因此，如何在寬頻范圍內同時實現TE和TM兩種偏振的非互易輻射，成為當前熱輻射調控領域中的一個關鍵問題。

研究內容

研究首先提出了一種能夠實現雙偏振非互易熱輻射的結構設計思路，通過構建具有各向異性與非對稱特征的光學體系，使得不同傳播方向上的電磁模式耦合條件發生改變，從而打破傳統的輻射對稱性。這一設計為實現寬帶非互易熱發射奠定了基礎。

圖1｜所提出超表面的示意圖及元原子結構細節。(a) 超表面由周期排列的傾斜 WSMs-金單元構成，并置于金基底上。XYZ 和 xyz 分別表示全局坐標系和局部坐標系。每個單元繞 +X 軸逆時針旋轉γ= 45°。φ表示平面 A 的方位角，在法線兩側對應的入射角分別為 +θ 和 ?θ。插圖為七層 WSMs 的電子能帶結構，其中動量空間中一對相反手性Weyl節點之間的距離為2b，并假定其沿+Y 軸排列。(b) 七層梯度ENZ WSMs傾斜放置在金基底上，兩側覆蓋金膜 G1 和 G2。WSMs 的費米能級自下而上依次為 EF1 到 EF7。圖中定義了三個觀察方向（藍色箭頭和眼睛圖標）：View 1 為沿 ?X 軸方向的側視圖，View 2 為沿 ?Z 軸方向的俯視圖，View 3 為沿 +X 軸方向的側視圖。

在光譜響應分析中，可以看到該結構在較寬頻率范圍內表現出明顯的方向依賴性發射特征，即在正向與反向傳播時的輻射強度存在顯著差異。這種差異不僅存在于單一頻點，而是覆蓋了連續的頻譜區間，體現出寬帶調控能力。

圖2｜TM 與 TE 模式下寬帶非互易熱輻射（NTR）的示意。(a) 互易吸收器（左）與非互易吸收器（右兩圖）的吸收率光譜對比。(b–d) 為 TM 模式下的電磁特性光譜，(e–g) 為 TE 模式下的電磁特性光譜。(b),(e) 在 θ = 60° 時，超表面的吸收率與發射率光譜呈現明顯分離，對應各 WSMs 層的共振吸收/發射峰以藍色三角標出。(c),(f) 在 θ = 60° 與 ?60° 條件下，超表面的同偏振與交叉偏振反射率。(d),(g) 在 θ = 60° 時的非互易性分布，藍色三角表示最大值及其對應波長。

進一步的模式分析揭示了非互易性的物理來源。不同方向入射時，結構內部激發的電磁模式（包括表面模與導模）發生明顯變化，導致能量耦合效率的不對稱。這種由結構非對稱性與材料響應共同決定的模式差異，是實現非互易輻射的核心機制。

圖3｜一般情形下 WSMs 各層在形成寬帶非互易熱輻射效應中的作用分析。(a) 七層梯度 ENZ WSMs 以垂直方式（γ = 0°）放置在金基底上。所有層的厚度均為 150 nm。沿 +Z 軸自下而上的費米能級 EF1~EF7 按表1賦值。φ 表示平面 A 的方位角，在法線兩側對應的入射角分別為 +θ 和 ?θ。(b) 七層 WSMs 的介電張量曲線。不同費米能級下 WSMs 薄膜中 εd 的實部 Re(εd) 以實線表示；虛線表示通過能量耗散函數 Im(?1/εd) 得到的 Berreman 模峰值對應波長。(c) 介電張量 |εa| 與 |εd| 的比值。受 ENZ 影響的峰值對應于 WSMs 出現最大非互易性的波長。(d) 在 θ = 60°、φ = 0° 條件下，TM 和 TE 模式的吸收率與發射率光譜。TM 模式的兩條光譜發生分離，而 TE 模式的兩條光譜仍保持重合。藍色三角標出了 WSMs 出現 ENZ 的波長位置。(e) 在 θ = 60°、φ = 26° 條件下，TM 和 TE 模式的吸收率與發射率光譜，此時兩種模式都出現了譜線分離。在選定的 λ = 9.08 μm 處，給出了入射角為 θ = 60° 和 ?60° 時 TM 與 TE 模式下 Qdiss 的空間分布，分別對應于 (f–i) φ = 0° 和 (j–m) φ = 26°。

在偏振維度上，該結構突破了以往僅針對TM模式的限制，實現了TE與TM兩種偏振態下的同時非互易發射。通過對兩種偏振的輻射譜進行對比，可以發現其非對稱特性在不同偏振下均保持穩定，從而顯著拓展了器件的應用范圍。

圖4｜在 θ = 60°、φ = 26° 條件下，傾斜 WSMs-金單元的性能分析。(a) 所設計的傾斜 WSMs-金單元結構。在方位角為 φ 的入射平面內，入射波（紅色實線）以 θ = 60° 入射。局部坐標系 xyz 投影到全局坐標系 XYZ 上，并依據 p 波與 s 波電場的投影方向定義了 u 軸與 v 軸。圖中設置了沿 ?Z 軸方向的俯視圖（view 2）以及沿 ?Y 軸方向的后視圖（view 4）。(b) TM 模式下同偏振與交叉偏振波的反射系數，在寬帶范圍內 rpp(60°) 小于 rsp(60°)。(c) TE 模式下同偏振與交叉偏振波的反射系數，在寬帶范圍內 rss(60°) 與 rps(60°) 均保持接近且較低。(d) TM 模式下的偏振旋轉角 ψ 與橢圓率角 χ。(e) TE 模式下的偏振旋轉角 ψ 與橢圓率角 χ。ψ 表示偏振波主軸相對于原始坐標軸的偏離角度，取值范圍為 ?90° 到 90°；χ 表示橢圓率角，取值范圍為 ?45° 到 45°，其中 0° 表示線偏振，±45° 表示圓偏振。(f) 在 view 2 視角下，TM 與 TE 模式在 λ = 9.08 μm 和 10.97 μm 時激發的金膜表面感生電流分布。G1、G2 以及金基底表面上的電流方向以紅色實線箭頭標出，電流被分解為 u 軸和 v 軸分量。(g) 在 view 4 視角下，TM 與 TE 模式在 λ = 9.08 μm 和 10.97 μm 時的 Qdiss 空間分布。

隨后，研究考察了關鍵結構參數對非互易性能的影響，包括幾何尺寸、材料參數及入射條件等。結果表明，通過合理設計，可以在非互易程度、帶寬以及發射效率之間實現有效平衡，為實際器件優化提供了明確方向。

圖5 | 在 θ = ?60°、φ = 26° 條件下，斜置 WSMs-金單元的性能分析。(a) 所設計的斜置 WSMs-金單元。在方位角為 φ 的入射平面內，入射波（紅色虛線）以 θ = ?60° 入射。設置了視圖2（沿 ?Z 軸方向的俯視圖）和視圖4（沿 ?Y 軸方向的后視圖）。（b）TM 模式下同偏振與交叉偏振的反射系數。在寬帶范圍內，rpp(?60°) 與 rsp(?60°) 保持接近且處于較低數值。（c）TE 模式下同偏振與交叉偏振的反射系數。在較寬帶寬范圍內，rss(?60°) 始終大于 rps(?60°)。（d）在視圖4下，TM 和 TE 模式于 λ = 9.08 μm 和 10.97 μm 處的 Qdiss 空間分布。（e）在視圖2下，TM 和 TE 模式入射波于 λ = 9.08 μm 和 10.97 μm 激發的金層表面感生電流。（f）在視圖2下，TM 和 TE 模式于 λ = 9.08 μm 和 10.97 μm 處的電場能量分布。

最后，通過綜合性能評估可以看出，該結構在寬帶范圍內均能維持較高的非互易發射對比度，同時兼顧較強的整體輻射能力。這表明其不僅在物理機制上具有創新性，也在實際應用層面具備潛在價值。

圖6 | 平均發射率關于入射角 θ、方位角 φ 和傾斜角 γ 的分析結果，其中 (a)、(c)、(e) 對應 TM 模式，(b)、(d)、(f) 對應 TE 模式。紅色五角星標示出在 8–14 μm 波段范圍內平均發射率超過 0.7 的區域。(a)、(b)：超表面在 TM 和 TE 模式下，平均發射率隨入射角 θ 變化的極坐標分布曲線，θ 的范圍為 ?90° 至 90°。(c)、(d)：在平面 A 的旋轉方位角 φ 從 0° 變化到 360° 時，超表面在 TM 和 TE 模式下平均發射率隨 φ 變化的曲線。(e)、(f)：當 θ = 60° 和 ?60° 時，斜置 WSMs-金單元的傾斜角 γ 從 0° 變化到 90° 過程中，TM 和 TE 模式下平均發射率的分布曲線。

結論與展望

這項工作圍繞非互易熱輻射這一前沿問題，提出并實現了一種能夠同時支持TE與TM偏振的寬帶非互易發射結構。不同于傳統依賴單一偏振或窄帶響應的方案，該研究通過引入結構非對稱性與各向異性耦合機制，在較寬頻率范圍內實現了顯著的方向依賴輻射特性。其核心在于調控不同傳播方向下的電磁模式分布，使得能量耦合效率產生不對稱，從而打破傳統熱輻射的互易性限制。與此同時，該結構在兩種偏振態下均保持穩定的非互易響應，顯著拓展了設計自由度和應用場景。參數分析進一步表明，通過優化結構尺寸與材料組合，可以在帶寬、發射效率與非互易程度之間取得良好平衡。總體來看，這項工作不僅深化了對非互易熱輻射物理機制的理解，也為實現高效、可調控的定向熱輻射器件提供了新的設計思路，在熱管理、紅外器件以及能量利用等領域具有潛在應用價值。