光电工程
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山东高等技术研究院与西安理工大学联合团队回顾了非互易热辐射的研究背景，综述了利用磁光材料InAs和外尔半金属等前沿材料实现非互易热辐射的前沿技术路径，介绍了非互易热辐射技术在太阳能应用方面的巨大潜力和价值。
封面文章 | 王雅婷，王明军，吴小虎，等. 非互易热辐射研究综述[J]. 光电工程，2024，51(9): 240154.
第一作者：王雅婷
通信作者：吴小虎，王明军
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概述
热辐射是能量传递的三种基本方式之一，广泛存在于所有温度高于绝对零度的物体中，并以电磁波的形式向外传播。基尔霍夫定律在热辐射理论中占据着核心地位。根据该定律，任何物体在热平衡状态下的发射能力与吸收能力之比是一个普适的函数，仅依赖于温度。这意味着物体在辐射能量的同时，也会吸收来自其他物体的辐射能量，其辐射或吸收的能力与温度、表面积和黑度等因素密切相关。因此，基尔霍夫定律揭示了热辐射的基本规律，并为相关研究提供了重要的理论基础。
然而，随着对热辐射研究的深入，科学家们发现了一个特殊的现象——非互易热辐射（Nonreciprocal Thermal Radiation, NTR）。这一现象打破了传统热辐射中基尔霍夫定律的限制，表现在物体在不同方向上的辐射特性存在差异。在某些波长下，物体的发射率与吸收率不再相等。传统理论强调，在热平衡状态下，光谱定向发射率和光谱定向吸收率必须相等，这一对称性限制了辐射的控制和优化。而非互易热辐射通过引入非对称结构和外部场调控，实现了对光谱和角度的独立控制，从而大幅拓展了热辐射的应用潜力。
随着全球对高效、清洁可再生能源需求的不断增长，传统热辐射技术在能源转换效率方面存在不足，难以满足现代社会对高效能源利用的迫切需求。因此，开发新的热辐射控制技术显得尤为重要和紧迫。非互易热辐射不仅在理论上拓展了热辐射研究的边界，更为提高能源转换效率、减少能源损耗提供了新的视角与路径。通过引入非互易介质，研究人员能够精确调控热辐射的方向性，优化能源转换过程。这在太阳能电池、热光伏系统以及辐射冷却等领域展现出巨大的应用潜力。非互易热辐射技术为科学研究指明了新的方向，并对实际应用产生了深远影响，推动着全球能源转型与环境保护的进程，预示着未来将实现更可持续、清洁和绿色的能源发展。
关键进展
2014年，Zhu等人首次通过使用磁光材料InAs成功实现了非互易热辐射。这项创新性研究发表在Physical Review B（2014, 90: 220301），为热辐射领域提供了全新的视角和可能性。他们总结了打破热辐射详细平衡的一般原则，并通过直接计算，成功预测了由磁光光子晶体构成的热辐射体的非互易热辐射特性。这一发现为理解和应用非互易辐射奠定了理论基础。随后，Wu等人对各向同性物体的基尔霍夫定律及其在半球发射率和方向发射方面的有效性进行了简要回顾，并探讨了不透明各向异性材料的共极化和交叉极化以及半透明薄膜的基尔霍夫定律。他们的研究证明了各向异性介质在互易性和适用性方面的潜在应用，并得出了实现非互易辐射必须打破洛伦兹互易性的关键结论。这些研究为非互易热辐射的应用提供了新的理论指导。此外，研究者们利用磁光材料InAs构建了多种结构模型，成功实现了在单波长、多波长和多角度下的非互易热辐射现象。尤其是Hu等人创新性地将通用机器学习算法与非周期多层结构设计相结合，使用蒙特卡罗树搜索算法和贝叶斯优化算法，在广泛的入射角度范围内于B = 5 T的磁场条件下成功实现了四波段的非互易热辐射。
在这一领域中，TE极化波由于其电场矢量垂直于波传播方向，与磁光材料的相互作用较弱，难以直接实现非互易辐射。因此，如何在TE极化波下实现非互易辐射，对于拓展非互易辐射的应用领域具有重要意义。2024年，Fang等人提出了一种创新方法，他们设计了硅基纳米孔阵列叠加金属层（Al）和磁光层（InAs）的结构，系统地研究了双极化下的强非互易热辐射。尽管磁光材料InAs在理论上已被深入研究以实现各种条件下的非互易辐射，但其实际实验验证仍有待加强。2023年，Liu等人使用定制的红外磁光克尔效应测量装置，在掺杂InAs多层膜的样品上施加适度的外部磁场，成功观察到了高度不对称的吸收光谱，标志着实验方面的重大突破。这些研究成果为非互易热辐射的实际应用提供了重要的实验支持。
除磁光材料外，外尔半金属的介电常数张量表现出非对称性，进而破坏了洛伦兹互易性。由于外尔半金属能够在无外部磁场的条件下展现这种本征的非互易性，使其成为实现非互易热辐射的极具前景的材料。2020年，Zhao等人的一项开创性研究揭示了拓扑磁性外尔半金属中的轴子电动力学为构建非互易热辐射体提供了一种新颖且高效的机制。他们提出了一种基于外尔半金属的光子晶体设计，能够在无需任何外部磁场的情况下，几乎完全打破基尔霍夫定律。这项研究突破性地证实了外尔半金属实现非互易热辐射的可行性，并为拓扑量子材料在材料科学领域的应用开辟了新的视野。随后，科学家们设计了不同结构模型的外尔半金属，成功实现了多波长、多角度及双极化下的非互易热辐射。2024年，Zheng等人巧妙地将二氧化钒（VO₂）薄膜引入多层堆叠结构中，结合锗（Ge）间隔层和外尔半金属（WSM）层，成功实现了一种热可调谐的非互易发射器。这一创新设计不仅继承了传统非互易发射器的优势，更通过VO₂的热敏特性实现了非互易性的主动切换控制，极大增强了其实用性和应用灵活性。通过微调入射角、方位角及各层材料的厚度，该结构能够精准调控非互易性的优势峰和低谷，并在温度变化时展现出显著的开关效应。这些研究成果不仅推动了非互易热辐射的理论发展，也为未来相关技术的应用提供了强有力的支持。
随着理论技术的发展，研究者们逐渐将理论与实际相结合，通过引入非互易介质，能够精确调控热辐射的方向性，优化能源转换过程，从而在太阳能电池、热光伏系统及辐射冷却等领域展现出巨大的应用潜力。例如，Zhao带领研究团队提出了一项大胆且创新的解决方案：利用具有非互易辐射特性的中间层构建非互易太阳能热光伏（NSTPV）系统，成功将转换效率从传统系统的30%~40%提升到50%以上，显著改善了能源利用效果。通过消除回辐射，NSTPV系统的理论终极效率可达到Landsberg极限。这些创新应用不仅提高了能源利用效率，减少了能源浪费，还在能源转换效率和资源利用上带来了重大进步，对环境保护和气候变化等全球性问题产生了积极影响。
图1 (a)满足互易定理的能量流图; (b)InAs光栅结构首次实现非互易热辐射。
图2 (a)由WS膜和Ag层组成实现TE波下非互易的热发射器原理图及其吸收率、发射率和非互易值; (b) ZCG、WSM层和Ag衬底组成结构示意图及10.32 µm处电场分布图; (c)由硅光栅和由SiO2衬底支撑的银夹层和WS薄膜组成的结构示意图及其吸收率、发射率和非互易值。
图3 (a)传统STPV和非互易STPV系统; (b)非互易多结太阳能电池及效率极限; (c)结合辐射冷却和太阳能加热的Landsberg极限系统示意图。
总结
山东高等技术研究院与西安理工大学联合团队在《光电工程》发表综述文章，深入回顾了非互易热辐射的研究背景，并探讨了基尔霍夫定律与洛伦兹互易性之间的内在联系，揭示了基尔霍夫定律在特定情况下的适用性以及非互易热辐射出现的根本原因。文章重点综述了利用磁光材料InAs和外尔半金属等前沿材料实现非互易热辐射的前沿技术路径。这些材料凭借其独特的电子结构和光学性质，通过构建非对称结构并结合外部场调控，成功实现了对特定波长和方向辐射的差异化吸收和发射特性，从而在多个波长和角度上展现了非互易热辐射。此外，文章介绍了非互易热辐射技术在太阳能应用方面展现的巨大潜力和价值。通过该技术，可以实现对太阳能的高效吸收和转换，进而提升太阳能电池和热光伏系统的性能。这一突破不仅打破了传统太阳能技术的局限，也为更高效、更灵活的能源转换提供了新的可能性。
该研究得到了国家自然科学基金重大研究计划培训项目（92052106）、国家自然科学基金项目(61771385, 62101313, 52106099)、山东省自然科学基金项目（ZR2022YQ57）和泰山学者计划的资助。
研究团队简介
团队主要从事辐射换热、太阳能光热利用和微纳光子学等领域的研究，其中关于双曲材料的工作入选美国光学学会2020年度全球30项光学进展“Optics in 2020”。团队共计发表SCI论文200余篇，涵盖高水平期刊如Optica、Renewable Energy、ACS Photonics、Nanophotonics、Nanoscale、Materials Today Physics和ACS Applied Materials & Interfaces等。此外，团队已获得多项专利，涉及基于磁光材料的红外隐身结构和相变材料的平板结构等创新设计。团队成员在各类学术活动中获得省优秀毕业生、会议最佳口头报告及学术论坛优秀论文等多项荣誉。指导老师吴小虎荣获中国青年五四奖章（2024）、山东省省直机关优秀共产党员（2023）等多项荣誉，主持国家自然科学基金等多项科研项目，进一步推动了团队的学术发展和研究成果。
吴小虎老师指导学生进行理论计算
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《光电工程》（Opto-Electronic Engineering）创刊于1974年，由中国科学院光电技术研究所和中国光学学会主办，是中文核心期刊和中国科技核心期刊，被Scopus、CA、JST以及CSCD、CSTPCD、CNKI等国内外数据库收录，受到了国家自然科学基金委和中国科协相关项目的支持，并入选了“西牛计划”精品中文科技期刊。本刊一直致力于光电工程领域的科研报道和学术交流，主要刊登光电领域的科研进展、原创成果以及综述，并针对热点问题和前沿课题出版相关专题。
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编辑 | 彭诗涵 张诗杰
审核 | 杨淇名
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