近日，中科院长春光机所李炜研究员团队与美国斯坦福大学范汕洄教授团队合作，从对称性破缺的角度入手，探讨基于微纳光学结构的近场和远场热辐射调控的物理机制和最新进展，并展望该方向的未来发展。该成果以题为“Thermal Photonics with broken symmetries”的综述论文发表在卓越计划高起点新刊eLight，祝贺刘天际副研究员和所有合著者！
热辐射作为一种普遍存在的物理现象，具有非定向、非相干、无偏振、宽光谱等特点。采用微纳光学结构能够有效调控热辐射的方向、角度、偏振、光谱等性质，这些研究成果推动了热光子学领域的快速发展。对称性破缺在热辐射调控中也扮演了重要角色，由于发射率和吸收率都是关于频率、方向、偏振的函数，那么改变或打破热辐射体的对称性必然会导致发射率和吸收率发生相应变化。
该综述根据微纳结构所对应的不同层次的非对称性，将相关研究工作归纳为以下三个大类：即几何结构的非对称性、电磁模式的不同对称性、以及非互易性。
几何结构的非对称性是常见的一类非对称性，各向异性、非周期性和手性等几何非对称微纳结构在热辐射调控过程中能够展现出不同物理现象和功能。对于辐射降温等应用，通过对不同材料的优化组合，利用非周期性的多层膜系结构能够实现在太阳辐照波段的高反射和大气窗口的高发射。手性结构是一类不能和自身镜像重合的结构，打破结构的镜面对称性和空间反转对称性能够得到手性结构。利用手性结构能够实现热辐射偏振调控和圆偏振热辐射、热辐射自旋分裂、光热效应中的圆二色性等物理现象，潜在应用包括手性热光源、手性纳米颗粒探测、手性传感等。
基于电磁模式的不同对称性，法诺共振和连续域的束缚态作为两种特殊的光学状态在热辐射调控中也得到了广泛关注，潜在应用包括吸收/辐射谱的带宽控制和新型热辐射超表面等。两者的物理机制都涉及到对电磁模式对称性的操作，法诺共振通过亮模式和暗模式的相消干涉来实现非对称并具有极高品质因子的辐射峰，这里的亮模式和暗模式通常具有不同的对称性。利用模式间的不同对称性能够实现连续域的束缚态，模式间的耦合强度可以通过改变折射率环进行调控，从而实现光吸收或热辐射的开关等功能。
洛伦兹互易性是麦克斯韦方程内含的一种基本对称性。互易性要求热辐射系统具有相同的角光谱吸收率和反射率，因此降低了热辐射系统的自由度和能量转换过程中的效率。在线性热光子学系统中，打破互易性的方法主要有两类：即磁光效应和时空调制。磁光材料的非对角介电张量引入了非互易性；而在基于行波调制的系统中，模式转换过程中的动量匹配要求会产生非互易性。非互易热光子学的潜在应用包括提高光伏系统的能量转换效率和实现热整流器件等。
该综述强调了对称性破缺在热光子学中的重要性，深入讨论并分析了几何结构的非对称性、电磁模式的不同对称性、非互易性在基于微纳光学结构热辐射调控中的物理机制以及相关的热光子学应用。此外，最新研究表明，在非厄密系统和转角微纳结构中，对称性的破缺将会产生光学例外点等热光子学新现象以及扩展调谐范围的窄带热辐射器件等应用。
图一. 热光子学中的对称性破缺：包括几何结构的非对称性、电磁模式的不同对称性、非互易性
文章链接：https://doi.org/10.1186/s43593-022-00025-z