NC：來自非厄米超表面的結(jié)構(gòu)相干熱發(fā)射

近日，山東師范大學(xué)韓張華教授、蔡陽健教授、四川大學(xué)王衛(wèi)教授以及澳大利亞國立大學(xué)Yuri Kivshar教授合作研究團(tuán)隊基于非厄米超表面實現(xiàn)了同時具有窄帶、定向、無彩虹效應(yīng)的甜甜圈狀矢量偏振相干熱發(fā)射，相關(guān)研究成果以“Structured coherent thermal emission from non-Hermitian metasurfaces”為題發(fā)表在期刊《Nature Communications》上。山東師范大學(xué)博士生孫開禮和四川大學(xué)王柯人同學(xué)為論文共同第一作者，韓張華教授、王衛(wèi)教授以及Yuri Kivshar教授為論文共同通訊作者。

研究背景：

熱發(fā)射本質(zhì)上源自物體內(nèi)部的隨機熱漲落，傳統(tǒng)上具有寬帶、全向、非相干和非偏振的特性，這些特性通過黑體輻射定律和漲落-耗散定理得到了完美概括。然而，近年來，納米光子學(xué)和超表面技術(shù)的突破正在改變這一基本物理圖景，使得對熱發(fā)射光譜、空間和偏振等多個維度的精準(zhǔn)調(diào)控成為可能。特別是在中紅外波段，作為分子指紋區(qū)，對時間/空間相干性和偏振控制的熱光源需求尤為強烈。盡管已有研究利用非局域超表面實現(xiàn)了高相干性熱發(fā)射，并在線偏振和圓偏振控制方面取得了進(jìn)展。對于矢量偏振光束（如徑向和角向偏振），由于其獨特的偏振分布，在聚焦成像、粒子捕獲等領(lǐng)域具有巨大潛力，然而，迄今為止，利用熱發(fā)射器直接產(chǎn)生具有高時間相干性和定向性能的矢量偏振熱發(fā)射的研究仍然較為匱乏。如何在實現(xiàn)矢量偏振控制的同時保持高相干性和方向性，并消除傳統(tǒng)色散系統(tǒng)中的彩虹效應(yīng)，是當(dāng)前面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

研究內(nèi)容：

這項工作設(shè)計了一種四孔晶胞結(jié)構(gòu)，成功生成了兩種具有高方向性、無彩虹效應(yīng)、且呈甜甜圈狀分布的矢量偏振相干熱發(fā)射。研究團(tuán)隊通過布里淵區(qū)折疊誘導(dǎo)的拓?fù)浜晒こ蹋讦｜c靈活激發(fā)了不同拓?fù)浜傻氖噶科駪B(tài)。通過調(diào)控四孔間距，構(gòu)建了一個四能級耦合模式系統(tǒng)，將高輻射損耗的Fabry–Perót模式與對稱保護(hù)的BIC進(jìn)行戰(zhàn)略性耦合，并完整展示了耦合演化過程。在此過程中，無需引入人工光學(xué)增益，便觀察到了奇異點（EP）和其誘導(dǎo)的能帶環(huán)的形成、湮滅與重構(gòu)。在這個過程中不僅實現(xiàn)了兩個迷你平帶的產(chǎn)生，而且EP附近的非厄米相互作用引發(fā)了輻射損耗隨波矢的急劇變化，使得僅能在特定波矢下實現(xiàn)輻射損耗與材料吸收損耗的臨界耦合，從而在最大化發(fā)射率的同時實現(xiàn)了高方向性，并抑制了傳統(tǒng)色散系統(tǒng)中因Q值對波矢弱依賴而產(chǎn)生的彩虹效應(yīng)。基于這些獨特的非厄米物理機制，研究團(tuán)隊從理論和實驗上證實，可在3–5 μm大氣透明窗口獲得兼具高光譜純度、極端方向性和矢量偏振特性的甜甜圈狀相干熱發(fā)射。該研究建立了一個強大的非厄米平臺，能夠?qū)㈦s亂的熱漲落轉(zhuǎn)化為特定頻率下的相干矢量偏振光束。同時，它克服了相干性、光譜選擇性和偏振控制之間的權(quán)衡限制。

圖1：展展示了傳統(tǒng)色散系統(tǒng)的熱發(fā)射特征和經(jīng)非厄米工程后的矢量熱發(fā)射特征

圖2：非厄米工程超表面過程

圖3：熱發(fā)射特性數(shù)值計算結(jié)果

圖4：結(jié)構(gòu)熱發(fā)射的實驗結(jié)果

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70823-3