[论文解读] Nonreciprocal thermal radiation in ultrathin magnetized epsilon-near-zero semiconductors

Mengqi Liu, Shuang Xia+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2022

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 47被引用 9

一句话总结

本研究首次通过实验展示了在ε近零（ENZ）频率下，超薄磁化InAs半导体薄膜中基尔霍夫定律的违背，即使在中等磁场下，光谱发射率-吸收率差值 |α−e| > 0.6 也得以实现。通过利用磁化ENZ模式，作者实现了在单带、双带和宽带配置下可调谐、多功能的非互易热辐射。

ABSTRACT

Spectral/angular emissivity $e$ and absorptivity $α$ of an object are widely believed to be identical by Kirchhoff's law of thermal radiation in reciprocal systems, but this introduces an intrinsic and inevitable energy loss for energy conversion and harvesting devices. So far, experimental evidences of breaking this well-known balance are still absent, and previous theoretical proposals are restricted to narrow single-band nonreciprocal radiation. Here we observe for the first time, to our knowledge, the violation of Kirchhoff's law using ultrathin ($<λ/40$, $λ$ is the working wavelength) magnetized InAs semiconductor films at epsilon-near-zero (ENZ) frequencies. Large difference of $|α-e|>0.6$ has been experimentally demonstrated under a moderate external magnetic field. Moreover, based on magnetized ENZ building blocks supporting asymmetrically radiative Berreman and surface ENZ modes, we show versatile shaping of nonreciprocal thermal radiation: single-band, dual-band, and broadband nonreciprocal emission spectra at different wavebands. Our findings of breaking Kirchhoff's law will advance the conventional understanding of emission and absorption processes of natural objects, and lay a solid foundation for more comprehensive studies in designing various nonreciprocal thermal emitters. The reported recipe of diversely shaping nonreciprocal emission will also breed new possibilities in renovating next-generation nonreciprocal energy devices in the areas of solar cells, thermophotovoltaic, radiative cooling, etc.

研究动机与目标

• 通过实验验证互易热辐射系统中基尔霍夫定律的违背。
• 在超薄半导体薄膜中实现大的非互易发射率-吸收率差异。
• 利用磁化ENZ效应，设计并实现跨多个光谱波段的可调谐非互易热辐射器。
• 为下一代热电光伏和辐射冷却应用中的非互易能量转换器件提供可扩展平台。

提出的方法

• 利用在特定频率下具有工程化ε近零（ENZ）特性的超薄InAs薄膜（<λ/40）。
• 施加外部磁场以诱导磁等离子体效应并打破时间反演对称性。
• 通过磁场调制激发不对称辐射的Berreman模式和表面ENZ模式。
• 测量角度和光谱发射率与吸收率，以量化非互易性。
• 设计多层磁化ENZ结构，以实现单带、双带和宽带非互易辐射。
• 结合有限元模拟与实验验证，确认非互易行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在超薄磁化ENZ半导体中实验观测到非互易热辐射？
• RQ2 在中等磁场下，发射率-吸收率差异 |α−e| 的增强程度如何？
• RQ3 非互易辐射是否可实现单带、双带和宽带配置下的光谱调控？
• RQ4 磁化ENZ模式如何实现热辐射的非对称辐射并产生非互易性？

主要发现

• 首次在实验中观测到超薄磁化InAs薄膜中基尔霍夫定律违背的非互易热辐射。
• 在中等外部磁场下，实验验证了 |α−e| > 0.6 的大发射率-吸收率差异。
• 磁化ENZ模式支持非对称辐射，从而实现对非互易辐射光谱的调控。
• 通过ENZ基本单元，实现了在单带、双带和宽带配置下的可调谐非互易辐射。
• 超薄设计（<λ/40）在ENZ频率下实现强场约束和增强的非互易性。
• 研究结果为热能收集和辐射冷却应用中非互易热辐射器的工程设计奠定了基础。