如果一种物质吸收光，它就会发热。这些热量一定会流向某个地方，而控制热量释放的地点和数量的能力可以保护甚至隐藏卫星这样的设备。一个国际研究小组，包括来自宾夕法尼亚州立大学的研究人员，已经开发出一种控制这种热辐射的新方法，他们称这对热管理和热伪装技术有很好的影响。
该团队今天(6月7日)在《科学》杂志的印刷版上发表了他们的研究成果。
在英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所和美国宾夕法尼亚州立大学工程学院的研究人员的带领下，该团队与土耳其Koc大学和奥地利维也纳理工大学的专家一起，展示了一种建立界面的方法，该界面将两个具有不同几何特性的表面连接在一起，以定位两个表面的热辐射，从而实现“完美”的热发射器。这意味着设计的平台可以从包含的、指定的单位发射率的发射区域发射热光，或者平台在该温度下发射尽可能强的热辐射。
通讯作者、曼彻斯特大学二维器件材料教授Coskun Kocabas说:“我们已经展示了一类新的热器件，它使用了拓扑学(研究几何物体性质的数学分支)和非厄米光子的概念，这是一个蓬勃发展的研究领域，研究光及其在损失、光学增益和某些对称性下与物质的相互作用。”
该团队表示，这项工作可以推进热光子的应用，以更好地产生、控制和探测热辐射。宾夕法尼亚州立大学工程科学和力学教授Sahin Ozdemir说，这项工作的一个应用可能是在卫星上。面对大量的热和光暴露，配备该界面的卫星可以沿着研究人员设计的一个特别指定的区域以单位发射率发射吸收辐射，该区域非常狭窄，并且被认为是必要的任何形状。
不过，Ozdemir表示，要达到这一点并不容易。他解释说，部分问题是将完美的热吸收发射器限制在界面上，而形成平台的其他结构仍然是“冷的”，这意味着这些结构不吸收或发射任何形式的能量。
Ozdemir说:“制造这样一个完美的吸收-发射体一直是一个重大挑战。”
研究人员说，通过将光捕获在光学腔内，构建一个理想频率的吸收-发射器稍微容易一些，而不是一个可以吸收和发射任何频率的完美吸收-发射器。光学腔包括两个反射镜，第一个反射镜仅部分反射光，而第二个反射镜完全反射光。这种设置实现了研究人员所说的“临界耦合条件”，即第一面镜子部分反射的入射光和被两个镜子困住的反射光完全相互抵消。这完全抑制了反射，因此光束被困在系统中，被完全吸收，然后以热辐射的形式发射出去。
Ozdemir说:“我们在这项工作中采用了不同的方法，通过桥接具有不同拓扑结构的两个结构，这意味着它们吸收和发射的辐射不同。”“这些结构不在临界耦合点上，所以它们不是完美的吸收-发射体，但它们的界面表现出完美的吸收和发射。”
为了实现这样的界面，研究人员开发了一个空腔，其中堆叠了厚金层，可以完美地反射入射光，而薄铂层可以部分反射入射光。铂层由两层不同厚度的材料拼接而成，同时也起到了宽带热吸收-发射的作用。在两个镜子之间，研究人员放置了一种透明的电介质，或称为聚苯乙烯- c的绝缘材料，可以防止导电。
研究人员可以根据需要调整铂层的厚度，以诱导缝合界面处的临界耦合条件，并使入射光被完全吸收。它们还可以使系统从临界耦合转移到亚或超临界耦合，在那里不能发生完美的吸收和发射。
第一作者，曼彻斯特大学材料工程研究助理M. said Ergoktas说:“通过将铂层的厚度微调到约2.3纳米的临界厚度，我们将腔体带入临界耦合条件，系统表现出完美的吸收，因此，完美的发射。”“只有在同一介电层上拼接厚度分别小于和大于临界厚度的两个铂层，我们才能创建两个腔的拓扑界面，从而限制完美的吸收和发射。这里的关键一点是，形成界面的空腔不是处于临界耦合条件，而是界面本身处于临界耦合条件。
奥地利维也纳理工大学的研究人员Stefan Rotter说，这一发展挑战了对该领域热辐射的传统理解。
“每一个热的物体都以非相干的、随机的光的形式辐射热量，”Rotter说。传统上，人们一直认为热辐射不可能具有拓扑性质，因为它的非相干性。
然而，这项工作表明，热发射可以被设计成具有拓扑特征，这可以创建仅从两个表面之间的拓扑界面发射的强受限光态。研究人员表示，他们还可以将界面参数设计成任何形状，从窄线到更复杂的形状，比如英国的轮廓。
根据科卡巴斯的说法，他们建立控制辐射的拓扑系统的方法对科学家和工程师来说很容易获得。
Kocabas说:“这可以简单到将薄膜分成两个不同厚度的区域，这样一边满足亚临界耦合，另一边处于超临界耦合状态，将系统划分为两个不同的拓扑类。”
根据宾夕法尼亚州立大学博士后学者、论文合著者Ali keecebas的说法，所实现的界面表现出完美的热发射率，受到反射拓扑结构的保护，并“表现出对局部扰动和缺陷的鲁棒性”。该团队使用实验和数值模拟来确认该系统的拓扑特征，以及支撑该系统如何工作的非厄米物理。
贡献者包括Sina Soleymani，她在2021年完成这项工作的第一阶段时获得了宾夕法尼亚州立大学的工程科学和力学博士学位;曼彻斯特大学的Konstantinos Despotelis、Gokhan Bakan和Alessandro Principi;以及土耳其Koc大学的Askin Kocabas。
欧洲研究委员会、整合者基金、空军科学研究办公室多学科大学研究计划(MURI)非厄米量子动力学可编程系统奖和空军科学研究办公室奖支持这项工作。
