[论文解读] Magnetic field-induced thermal emission tuning of InSb-based metamaterials in the terahertz frequency regime

Andrew Caratenuto, Yanpei Tian+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2021

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出了一种磁可调的InSb-W超材料，在太赫兹波段实现了约55 μm（5.5 THz）的近单色、高效率热辐射。通过施加直流磁场，InSb中的回旋共振改变其介电函数，从而实现对发射峰值波长和带宽的动态调控，同时保持高发射率，展示了从25 μm起始的宽带调谐能力，且通过可调谐的双曲模式实现调控。

ABSTRACT

This work theoretically and analytically demonstrates the magnetic field-induced spectral radiative properties of photonic metamaterials incorporating both Indium Antimonide (InSb) and Tungsten (W) in the terahertz (THz) frequency regime. We have varied multiple factors of the nanostructures, including composite materials, layer thicknesses and surface grating fill factors, which impact the light-matter interactions and in turn modify the thermal emission of the metamaterials. We have proposed and validated a method for determining the spectral properties of InSb under an applied direct current (DC) magnetic field, and have employed this method to analyze how these properties can be dynamically tuned by modulating the magnitude of the field. For the first time, we have designed an InSb-W metamaterial exhibiting unity narrowband emission which can serve as an emitter for wavelengths around 55 $μ$m (approximately 5.5 THz). Additionally, the narrowband emission of this metamaterial can be magnetically tuned in both bandwidth and peak wavelength with a normal emissivity close to unity.

研究动机与目标

• 设计一种具有高发射率和窄带特性的可调太赫兹发射器，用于传感和能量转换应用。
• 研究几何参数——层厚度、填充因子和周期——对InSb-W超材料热发射率的影响。
• 建立并验证一种用于外加直流磁场下InSb介电函数的解析模型。
• 展示磁场诱导的发射率调谐，包括峰值波长的移动和带宽的展宽。
• 探索此类超材料在远程磁场传感和自适应光子器件中的潜力。

提出的方法

• 推导出InSb的磁场依赖介电函数的解析表达式，纳入直流磁场下回旋频率的偏移。
• 应用有效介质理论，模拟InSb-W光栅结构的各向异性光学响应。
• 利用传输矩阵法计算法向发射率，以模拟多层超材料中的光-物质相互作用。
• 通过参数研究改变光栅厚度（t_g）、周期（Λ）、填充因子（ϕ）和基底厚度（t2），评估其对发射率谱的影响。
• 在0–6 T范围内模拟磁场调谐，分析表面极化激元共振的移动及双曲模式的出现。
• 通过将预测的发射率峰值和移动与已知的InSb中回旋共振行为进行对比，验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太赫兹波段，施加直流磁场如何改变基于InSb的超材料的介电响应和热发射率？
• RQ2 哪些几何参数对InSb-W光栅结构中发射率峰值的幅度和位置影响最大？
• RQ3 磁场调节能否同时实现发射率峰值的红移和蓝移，同时保持近单色发射率？
• RQ4 磁场在多大程度上展宽了发射带宽，同时保持高发射率？
• RQ5 W基底如何影响表面极化激元共振和整体发射率分布？

主要发现

• 在零磁场条件下，InSb-W超材料在55 μm（5.5 THz）处实现近单色法向发射率，证实了窄带发射特性。
• 施加0–6 T的磁场后，发射率峰值先发生红移，随后发生蓝移，总波长调谐范围达25 μm。
• 磁场显著展宽了发射带宽，同时保持发射率接近单位值，实现了可调谐的宽带发射。
• 峰值发射率的移动归因于InSb中回旋共振频率ω_c与横光学声子频率ω_T趋于可比。
• 在高磁场（≥5 T）下，系统表现出双曲色散特性，支持类似表面等离激元极化激元的可调宽带模式。
• InSb的体积分数（由厚度和填充因子控制）对发射率幅度和共振位置的影响最大，而当InSb与空气的比例保持不变时，周期变化的影响可忽略。