拓扑热超光子学实现单向传热：新型高效热管理技术的突破

来自 实验室仪器网

科学家们已经证明了使用拓扑热超光子学的单向传热，这可能会带来更高效、容缺缺陷的热管理和能量收集技术。研究人员通过将拓扑物理学与热超光子学相结合，在控制纳米尺度的辐射热流方面取得了重大进展。

他们的研究引入了一个实现非倒易（单向）传热的新框架，这是热管理和光子工程的一个关键目标。

传统的热系统经常面临能量损失、散射和对缺陷敏感等挑战。通过整合拓扑原理，即使存在结构缺陷，特定的物理状态也能保持稳定，研究人员成功地实现了既高效又有弹性的单向热传输。

这项工作的核心是菲索阻力效应，这是一种光以不同速度穿过移动材料的现象。这种效应以前在液体和石墨烯等等离子体系统中观察到，现在使用外尔半金属重新检查了这种效应，外尔半金属材料由于其独特的电子结构而自然表现出单向行为。

受外尔半金属固有的非互易特性的启发，研究团队设计了一种能够支持单向辐射传热的光子晶体，无需外部磁场来控制能量流动。

该研究的重点是由纳米颗粒制成的蜂窝状热光子晶格。每个单元包含两个以π旋转对称排列的粒子。该晶格被设计为在深亚波长尺度上有效发挥作用，在深亚波长尺度上，传统的热辐射模型由于粒子之间的强长程耦合而崩溃。

研究人员结合理论建模和数值模拟，应用多体辐射传热理论为二维晶格构建了哈密顿量。这种方法使他们能够精确分析面内 （IP） 和面外 （OP） 电磁模式以及外尔节点分离对热传输的影响。

使用低温磁扫描近场光学显微镜（m-SNOM）进行了实验验证，该显微镜能够直接观察时间反转对称性破缺，并证实晶格内存在单向热流。

主要发现及其意义

研究结果表明，研究人员可以通过引入具有相反手性的外尔节点来决定热流的方向，而无需外部磁输入。这一突破即使在存在缺陷、急剧弯曲或结构无序的系统中也能实现稳定的单向热传输。

定量分析表明，与传统系统相比，单向传播、能量定位和拓扑保护的结合使光谱辐射传热增强了几个数量级。该研究还将热光子科尔比诺效应与轴子电动力学联系起来，加深了对非往易传热的理论理解。

当研究人员引入散射障碍物和位置无序时，晶格保持了其有效的能量传递。这种行为表明了拓扑非倒数系统在具有挑战性的条件下稳定热运行的现实潜力。

能够沿着单一路径引导热流对热二极管、能量收集和温度调节具有深远的影响。使用单向传热的设备可以提高冷却效率、延长电子元件寿命并减少能量损失。

此外，同样的原理可以产生先进的隔热材料，能够保持温度梯度，同时最大限度地减少不必要的辐射。由于该系统可以容忍缺陷，因此它为集成到实用的热光子学和能量转换技术中提供了强大的潜力。

展望未来这项研究在材料科学和工程中建立了深亚波长热超光子学的单向传热。将拓扑原理应用于热传输开始为高性能、节能的热系统奠定基础。未来的研究有望探索其他拓扑材料及其与热辐射的相互作用，并有可能发现在纳米尺度上控制能量流的新方法。

总体而言，这项工作提供了科学见解和技术前景，为新一波拓扑工程热设备奠定了基础，这些设备重新定义了热量的管理和使用方式。

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