南京大学:超表面的热辐射多自由度调控

      热辐射是物质内部带电粒子热运动向外辐射能量的过程，当物体温度高于绝对零度时，内部带电粒子的热运动会使能量以电磁波形式向外辐射。传统热辐射源所发出的辐射通常表现为无波长选择、无偏振选择、无方向选择的非相干光，难以实现对红外热辐射特性的灵活调控，从而限制了其在红外领域的应用。近些年，随着纳米光子学研究和微纳加工工艺的快速发展，超表面被广泛应用于热辐射特性调控中，有效打破了传统热辐射调控所面临的瓶颈。目前，基于超表面研发的热辐射器件已广泛应用于热管理、能源利用和传感检测等领域，显著推动了多种红外应用的发展。此外，依托多样化设计的超表面结构，研究人员已经实现了对热辐射光谱、偏振、方向等多自由度调控，进一步拓展了热辐射器件的红外应用场景，并推动其向小型化与集成化方向发展。

      由于物体内部带电粒子的热运动具有随机性，因此传统材料的热辐射具有波长随机、偏振随机、方向随机、非相干的特点。尽管改变传统材料温度或调节表面发射率可以在一定程度上调控其辐射谱，但仍难以实现精准、多自由度灵活调控的目标。随着微纳光子学和纳米加工技术的发展，对波长及亚波长尺度纳米结构的研究，为实现热辐射的多自由度灵活调控带来了重要突破。

      目前，多种人工微结构已广泛应用于热辐射调控领域中，光子晶体、超材料、超表面、热辐射芯片等概念相继提出，为亚波长尺度下的光场调控开辟了新的方向。而二维超表面凭借其超薄特性和可实现辐射率的空间调控，为多自由度调控热辐射开辟了新的研究路径。通过精心设计微纳结构，能够激发和操控各种光学共振模式，导致微纳结构在特定频率和方向上表现出高发射率，在自身热激发下，光谱会出现辐射峰，将热辐射从一种宏观、统计、宽谱的随机过程，转变为一种由结构决定的、可编程的电磁响应过程。通过采用金属或电介质材料来设计出多样化的微纳结构，热辐射的光谱、偏振、方向等特性实现了多参量同时调控。

      利用超表面调控热辐射在能源领域具有广泛的应用，如太阳能热光伏系统（STPV）、热光伏（TPV）电池、水蒸发淡化等。太阳能热光伏（STPV）系统是一种极具前景的下一代太阳能利用技术。它先将太阳能转化为高温热能，再利用光谱调控的热辐射来驱动光伏电池发电，从而实现高效率、可调度、全天候的太阳能电力输出。因此，具有强光谱选择性的高温吸收体和辐射体是实现太阳辐射与光伏电池高效耦合的关键条件。热光伏电池是热光伏（TPV）系统的核心组件，其功能是将高温物体发出的红外辐射直接转换为电能。将水蒸发淡化是一种利用自然能源（太阳光和天空冷源）实现被动、节能、可持续的海水淡化或水净化的前沿技术。其核心思想是利用热辐射器件精确调控蒸发界面的热量，实现高效的太阳能驱动蒸发，同时利用辐射制冷进行冷凝或系统冷却。

      红外光谱技术能够识别有机物质中的键型、结构特征以及官能团，成为生物医学和环境监控等领域中不可或缺的分析工具。当分子暴露于红外光下时，那些与入射光频率相匹配的分子键或官能团会发生振动，并产生相应的红外吸收峰。通过将实验测得的红外光谱数据与标准数据库对比，研究人员能够迅速确定样品成分，该技术在分析化学、生物学及医学研究中是一种常见的检测手段。随着红外检测技术的进步，具备高灵敏度和宽光谱响应的检测器的需求不断扩大，因此基于超表面的热辐射调控在红外光谱检测领域具有重要的应用价值，它通过精确设计和控制材料表面的发射率、吸收率和反射率等热辐射特性，能够显著提升红外检测系统的灵敏度和选择性。

      在偏振调控方面，传统均匀材料引起的热辐射通常不具备偏振选择性，随着微纳光子学和微纳加工技术的发展，非对称超表面的引入使热辐射的偏振调控成为可能。以一维光栅结构为例，在平行于光栅与垂直于光栅的两个方向，热辐射会表现出不同的线偏振响应。当设计手性结构时，超表面能够产生不同旋性的圆偏振热辐射。进一步增加热辐射携带的信息量。

      在角度调控方面，由于辐射源各点之间缺乏固定的相位关系，热辐射通常表现为非相干的全向发散。对热辐射角度的调控本质上是调控空间相干性，其核心在于建立辐射源点之间的有序相位关系，从而实现定向发射。为突破传统热辐射的发散特性，研究人员提出利用表面波模式增强空间相干性，例如通过极性材料中的表面声子极化激元或金属结构中的表面等离激元来调控热辐射的角度分布。声子极化激元是指光子与声子在特定材料中强耦合形成的准粒子。当光（电磁波）在某些离子性或极性晶体材料中传播时，其电场会驱动材料中的正负离子发生相对位移，从而激发晶格振动（即声子）。这种光与声子的强相互作用形成了声子极化激元。表面等离激元是光子与金属表面自由电子的集体振荡强耦合形成的一种沿金属-电介质界面传播的电磁表面波，为突破传统光学衍射极限、实现亚波长尺度的光操控提供了关键途径。这类机制能够有效调控辐射相位，实现定向热辐射。引入模式耦合机制也是调控热辐射角度响应的一种有效手段，如图3所示。

      目前，基于超表面的热辐射器件已广泛应用于热管理、能源利用、传感检测等多个领域。超表面的发展不仅促进了热辐射调控理论与技术的深入发展，还实现了多参量协同优化的目标，为相关应用的创新与拓展奠定了坚实的基础。本文系统梳理了超表面调控热辐射的典型应用场景，回顾了其在光谱、偏振和方向等多自由度调控方面的相关研究，并总结了热辐射芯片的优势与研究进展。

      为了进一步推广热辐射调控研究至实际应用领域，未来仍有许多工作值得开展：

    （1）高Q的热辐射器件可以大大提高红外传感检测的灵敏度，利用窄带辐射阵列来检测红外吸收光谱，其光谱分辨率有望进一步提高，使其更贴近实际红外光谱检测的应用需求。

    （2）目前，超表面领域的发展仍受限于微纳加工技术，大多数超表面设计对加工误差极其敏感，导致良率低，难以大规模制备多个阵列器件，限制了其在红外的应用范围。随着微纳加工技术的进步，更精细和复杂结构的制备将成为可能，从而为单一器件实现多自由度热辐射调控提供更多的可能性。

    （3）人工智能的不断发展能够实现超表面的定制化设计，基于逆向设计算法实现多自由度调控热辐射也是当下的研究重点。

    （4）动态调控热辐射方向来实现定向发射的研究还较为缺乏，现有动态超表面在调制速度、调制效率和循环稳定性之间难以兼顾，基于电控、光控等快速调控热辐射的方法仍需在调制速度和效率方面进一步提高。

    （5）通过设计拓扑边界态超表面或莫尔超表面，在超表面中引入可控的增益和损耗，可以将拓扑、莫尔和非厄米光子学等光学研究中的特殊物理机制与热辐射调控相结合，有望赋予热辐射器件新的物理内涵与功能。

      随着多参量协同调控热辐射技术的不断进步，其应用场景日益拓展。在单个热辐射器件中引入更多的调控自由度有助于突破传统红外器件的性能瓶颈。随着新物理原理的不断涌现与制造工艺的逐步成熟，一系列新颖且高效的红外技术有望广泛应用于产业前沿领域和日常生活中。