[论文解读] Bounds on absorption and thermal radiation for arbitrary objects

Sean Molesky, Weiliang Jin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2019

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用 3

一句话总结

该论文通过结合光学定理的体积极限与特定几何形状的有限尺寸效应，推导出任意物体吸收和热辐射的根本极限。结果表明，这些极限准确捕捉了从亚波长粒子的体积标度到射线光学极限下面积标度的过渡行为，优于以往的极限，并与拓扑优化结构一致。

ABSTRACT

We derive bounds on angle-integrated absorption and thermal radiation for arbitrary bodies (of prescribed material susceptibility and domain size) that account for both the per-volume limit on polarization response set by the optical theorem and geometry specific finite size constraints imposed by the interplay of material and radiative losses. We then consider these bounds in a number of common settings, comparing against prior limits as well as nearly optimal structures discovered using topology optimization, and show that they properly capture the transition from the volume scaling characteristics of deeply subwavelength objects (nanoparticle radius or thin film thickness) to the area scaling of the blackbody in the ray optics limit.

研究动机与目标

• 推导给定材料磁化率和尺寸下任意物体的角积分吸收和热辐射的严格界限。
• 同时纳入光学定理提供的单位体积极化响应极限与由材料损耗和辐射损耗相互作用引起的有限尺寸几何约束。
• 分析热辐射行为从亚波长（体积标度）到宏观尺度（面积标度）的过渡特性。
• 将这些界限与现有理论极限以及通过拓扑优化获得的近优结构进行比较评估。

提出的方法

• 推导过程结合了光学定理（对单位体积极化响应设定基本极限）与材料损耗和辐射损耗相互作用所产生的几何约束。
• 通过考虑物体形状和尺寸对电磁模式分布及能量耗散的影响，量化有限尺寸效应。
• 推导出在给定磁化率和物理尺寸条件下，适用于任意几何形状和材料的吸收与热辐射界限。
• 在纳米颗粒和薄膜等典型构型中评估这些界限，比较其标度行为与已知极限及优化设计的差异。
• 采用变分框架在约束条件下优化电磁响应，从而获得能量吸收和辐射的紧致上界。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于任意物体，吸收和热辐射如何随尺寸变化，特别是在亚波长到宏观尺度的过渡区域？
• RQ2 当同时考虑材料响应和有限尺寸几何形状时，吸收和热辐射的根本极限是什么？
• RQ3 所推导的界限与先前理论极限以及通过拓扑优化获得的结构相比如何？
• RQ4 这些界限在多大程度上捕捉了从纳米颗粒中的体积标度到类黑体系统中面积标度的转变？
• RQ5 这些界限是否可普遍适用于各种几何形状和材料，而无需假设理想对称性或无限延伸？

主要发现

• 所推导的界限准确捕捉了从深亚波长物体的体积标度到射线光学极限下面积标度的过渡行为，与黑体行为一致。
• 界限同时结合了光学定理的体积约束和特定几何形状的有限尺寸效应，相比以往方法，给出了更紧致且更符合物理实际的极限。
• 与拓扑优化结构相比，界限与近优设计的性能高度吻合，验证了其紧致性。
• 界限在任意几何形状和材料中均保持有效，证明其超越对称或理想化构型的普适性。
• 该框架揭示，即使在材料响应达到最大时，有限尺寸效应仍显著限制中尺度系统的热辐射。