如果一种材料吸收了光，它就会变热。热量必须传到某个地方，而控制热量散发的位置和数量的能力可以保护甚至隐藏卫星等设备。包括宾夕法尼亚州立大学在内的一个国际研究小组开发了一种控制这种热辐射的新方法，他们称这种方法对热管理和热伪装技术具有重要意义。

研究小组于 6 月 7 日在《科学》杂志印刷版上发表了他们的研究成果 。

该团队由英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所和美国宾夕法尼亚州立大学工程学院的研究人员以及土耳其科克大学和奥地利维也纳技术大学的专家领导，展示了一种构建界面的方法，该界面将具有不同几何特性的两个表面连接在一起，以定位两个表面的热辐射，从而实现“完美”的热辐射器。这意味着设计的平台可以从具有单位发射率的封闭指定发射区域发射热光，或者平台在该温度下发射最强的热辐射。

“我们展示了一种新型热设备，采用了拓扑学(研究几何物体性质的数学分支)和非厄米光子学的概念，非厄米光子学是研究光及其在损耗、光增益和某些对称性存在下与物质相互作用的一个蓬勃发展的研究领域，”通讯作者、曼彻斯特大学二维设备材料教授科斯昆·科卡巴斯 (Coskun Kocabas) 说。

研究团队表示，这项研究可以推动热光子应用的发展，从而更好地产生、控制和检测热辐射。论文合著者、宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学教授 Sahin Ozdemir 表示，这项研究的一个应用领域是卫星。面对大量暴露在热和光下，配备该接口的卫星可以沿着研究人员设计的特定区域以单位发射率发射吸收的辐射，该区域非常狭窄，可以采用任何必要的形状。

然而，据 Ozdemir 称，要达到这一点并不容易。他解释说，问题的一部分在于将完美的热吸收器-发射器限制在界面上，而构成平台的其余结构仍然“冷”，这意味着这些结构不会吸收或发射任何形式的能量。

奥兹德米尔说：“建造如此完美的吸收发射器是一项重大挑战。”

研究人员表示，通过将光捕获在光学腔内，构建所需频率的吸收器-发射器(与可以吸收和发射任何频率的完美吸收器-发射器相比)稍微容易一些。光学腔由两个镜子组成，第一个镜子仅部分反射光，而第二个镜子完全反射光。这种设置实现了研究人员所谓的“临界耦合条件”，其中第一个镜子部分反射的入射光和两个镜子之间捕获的反射光完全抵消。这完全抑制了反射，因此光束被捕获在系统中，被完全吸收，然后以热辐射的形式发射。

“不过，我们在这项研究中采用了不同的方法，将两种具有不同拓扑结构的结构连接起来，这意味着它们吸收和发射辐射的方式不同，”Ozdemir 说。“这些结构并不处于临界耦合点，因此它们不被认为是完美的吸收体-发射体——但它们的界面表现出完美的吸收和发射。”

为了实现这样的界面，研究人员开发了一个腔体，腔体中堆叠着一层厚厚的金层，可以完美反射入射光，还有一层薄薄的铂层，可以部分反射入射光。铂层由两层缝合在一起的不同厚度组成，也可用作宽带热吸收器-发射器。在两面镜子之间，研究人员放置了一种透明电介质，即绝缘导电的材料，称为聚对二甲苯-C。

研究人员可以根据需要调整铂层的厚度，以在缝合界面处诱导临界耦合条件，并捕获入射光，使其完全被吸收。他们还可以将系统从临界耦合移至亚临界或超临界耦合，此时无法发生完美的吸收和发射。

“通过将铂层厚度精细调整到约 2.3 纳米的临界厚度，我们使腔体达到临界耦合条件，此时系统表现出完美的吸收，并因此表现出完美的发射，”第一作者、曼彻斯特大学材料工程研究助理 M. Said Ergoktas 说道。“只有通过在同一介电层上缝合厚度小于和大于临界厚度的两层铂层，我们才能创建两个腔体的拓扑界面，从而限制完美的吸收和发射。这里的关键点是，形成界面的腔体不处于临界耦合条件，而是界面本身处于临界耦合条件。”

奥地利维也纳科技大学研究员、论文合著者斯蒂芬·罗特 (Stefan Rotter) 表示，这一进展挑战了人们对该领域热发射的传统理解。

“每一个热物体都会以非相干、随机光的形式散发热量，”罗特说。“传统上，人们认为热辐射不可能具有拓扑特性，因为它具有非相干性。”

然而，这项研究表明，热辐射可以被设计成具有拓扑特性，从而可以创建仅从两个表面之间的拓扑界面发射的强受限光态。研究人员表示，他们还可以将界面的参数设计成任何形状，从一条窄线到更复杂的形状，比如英国的轮廓。

Kocabas 表示，他们构建控制辐射的拓扑系统的方法很容易被科学家和工程师所接受。

Kocabas 说：“这可以简单到创建一个分成两个不同厚度区域的薄膜，使得一侧满足亚临界耦合，另一侧处于超临界耦合状态，将系统分成两个不同的拓扑类别。”

宾夕法尼亚州立大学博士后学者、论文合著者 Ali Kecebas 表示，实现的界面表现出完美的热发射率，受到反射拓扑的保护，并且“表现出对局部扰动和缺陷的鲁棒性”。该团队使用实验和数值模拟来确认系统的拓扑特征，以及支撑系统工作原理的非厄米物理学。

贡献者包括 Sina Soleymani，他于 2021 年获得宾夕法尼亚州立大学工程科学和力学博士学位，当时这项工作的第一阶段已经完成;还有曼彻斯特大学的 Konstantinos Despotelis、Gokhan Bakan 和 Alessandro Principi;以及土耳其科克大学的 Askin Kocabas。

欧洲研究理事会、整合基金、空军科学研究办公室多学科大学研究计划 (MURI) 非厄米量子动力学可编程系统奖以及空军科学研究办公室奖支持了这项工作。