基于介电光栅结构和Weyl半金属的超广角非互易热发射器

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论文信息：

Jun Wu, Yasong Sun, Biyuan Wu, Zhongmin Wang, and Xiaohu Wu, Extremely wide-angle nonreciprocal thermal emitters based on Weyl semimetals with dielectric grating structure, Case Studies in Thermal Engineering, 40, 102566 (2022).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.csite.2022.102566

成果简介

近日，山东高等技术研究院吴小虎教授课题组，在期刊《Case Studies in Thermal Engineering》上发表了题为“Extremely wide-angle nonreciprocal thermal emitters based on Weyl semimetals with dielectric grating structure”的研究性论文。

基尔霍夫定律作为热辐射的基本定律之一，为工程中众多热发射器的设计提供了理论依据。近年来，已有研究证明介电常数张量不对称的非互易材料会打破吸收和发射之间的平衡，从而违反传统的基尔霍夫定律。因此，吸收和发射不相等的非互易热辐射在太阳能采集和辐射制冷方面具有重要的应用前景。本文提出了一种基于Weyl半金属的广角非互易热发射器，对给定波长和角度下强非互易辐射的光谱吸收率、发射率及非互易性进行了模拟。并计算分析了在给定波长下对应的热辐射特性与入射角的变化以及非互易辐射效应对几何参数的依赖性。为设计新型非互易热发射器提供了一条可行路径。

图文导读

图1. 强非互易辐射发射器示意图

图2. (a)吸收(α)和发射(e)，以及θ = 30°时的非互易辐射谱η; (b)吸收(α)和发射(e)，以及非互易辐射η随15.98 μm波长入射角的变化

图3. (a)θ= 30°和(b)θ=−30°时，在15.98μm波长处归一化磁场Hz的绝对值分布

图4. 反射作为入射角和波长的函数。黑色实线表示导模的色散

图5. 非互易辐射光谱吸收随几何尺寸变化的关系:(a)介电光栅周期d; (b)介电带宽度w; (c)介电光栅厚度h; (d) Weyl半金属薄膜厚度hw,入射角θ= 30°

图6. 简化的四层平面结构示意图

结论与展望

本文设计并研究了一种基于介电光栅结构和Weyl半金属的新型非互易热发射器。当入射角为30°时，发射器在15.98 μm的波长处表现出较强的非互易辐射。这种增强的非互易性归因于导模在Weyl半金属膜上的激发，该现象由电磁场分布和导模色散所证实。此外，本文还发现该发射器具有广角非互易辐射特性，其角度相较于已有文献提出的非互易发射器要更宽，强非互易吸收性能也可以保持在较大的几何尺寸范围内。该结构对设计与制造新型非互易热发射器具有一定的指导意义。

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