本文由論文作者團隊（課題組）投稿

物理系統的對稱性，是指在某種變換過程中保持不變的物理性質。

通常，對稱性可分為連續對稱性和離散對稱性兩種，其中連續對稱性與物理系統中的守恒定律緊密相關。例如， 時間平移對稱性對應了系統的能量守恒。對稱性的存在還會引入相對應的約束條件，從而決定了系統的某些物理性質。反之，如果打破該對稱性，就能夠消除約束條件的限制并改變這些物理性質。正因如此，對稱性的相關研究在物理學中一直占據著重要地位。

熱輻射作為一種普遍存在的物理現象，一般具有非定向、非相干、無偏振、寬光譜等特點。然而，近年的研究發現，采用微納光學結構能夠有效調控熱輻射的方向、角度、偏振、光譜等性質，這些研究成果推動了熱光子學領域的快速發展。

在熱輻射調控中，對稱性破缺扮演了重要角色，這是因為物體的發射率和吸收率都是關于頻率、方向、偏振的函數，而改變熱輻射體的空間對稱性必然會導致發射率和吸收率相應變化，使我們根據意愿與應用需求有選擇的調控熱輻射的發射和吸收性質。

近日，美國斯坦福大學Shanhui Fan教授團隊與中科院長春光機所李煒研究員團隊，從對稱性破缺的角度入手，綜述了基于微納光學結構的近場和遠場熱輻射調控的物理機制和最新進展，并展望了該方向的未來發展。

該成果以題為“Thermal Photonics with broken symmetries”的綜述論文發表在卓越計劃高起點新刊eLight。

該綜述主要探討并分析了多種非對稱熱光子學微納結構的物理機制。根據微納結構所對應的不同層次的非對稱性，該綜述從幾何結構的非對稱性、電磁模式的不同對稱性、以及非互易性這三方面探討了其在熱輻射調控中的作用。

圖1：熱光子學中的對稱性破缺。綜述中重點討論的三類非對稱性：幾何結構的非對稱性、電磁模式的不同對稱性、以及非互易性。

一．幾何結構的非對稱性

幾何結構的非對稱性是常見的一類非對稱性，各向異性、非周期性和手性等幾何非對稱微納結構在熱輻射調控過程中能夠展現出不同物理現象和功能。利用棒狀結構、光柵結構、金屬-電介質-金屬型超表面和光學天線等各向異性結構可以實現對熱輻射或吸收性質的調控，上述結構通過降低微納結構單元在平面內的空間對稱性，能夠有效控制熱輻射的偏振、相干性、光譜等性質，并拓展熱輻射調控的應用范圍。

在光學和熱輻射調控中，亞波長尺寸的周期性陣列結構能夠大幅簡化設計和分析，但周期性的存在降低了系統的自由度，不能充分釋放微納結構在熱輻射調控方面的潛力。另外，制備大面積的周期性微納結構的成本較高，不利于工業化生產。對于輻射降溫等應用，通過對不同材料的優化組合，利用非周期性的多層膜系結構能夠實現在太陽輻照波段的高反射和大氣窗口的高發射。另外，輻射降溫還可以通過納米顆粒復合材料來實現，利用納米顆粒的散射特性并選擇適當的基體材料，能夠改善輻射降溫的性能并能夠實現大面積制備。

手性結構是一類不能和自身鏡像重合的結構，打破結構的鏡面對稱性和空間反轉對稱性能夠得到手性結構。利用手性結構能夠實現熱輻射偏振調控和圓偏振熱輻射、熱輻射自旋分裂、光熱效應中的圓二色性等物理現象，潛在應用包括手性熱光源、手性納米顆粒探測、手性傳感等。

圖2：幾何結構的非對稱性。包括各向異性（左圖）、非周期性（中圖）、手性結構（右圖）。

二．電磁模式的不同對稱性

近年來，法諾共振和連續域的束縛態作為兩種特殊的光學狀態在熱輻射調控中也得到了廣泛關注，潛在應用包括吸收/輻射譜的帶寬控制和新型熱輻射超表面等。兩者的物理機制都涉及到對電磁模式對稱性的操作，法諾共振通過亮模式和暗模式的相消干涉來實現非對稱并具有極高品質因子的輻射峰。利用亮暗模式間的不同對稱性能夠實現連續域的束縛態，模式間的耦合強度可以通過改變折射率環進行調控，從而實現光吸收或熱輻射的開關等功能。

圖3：電磁模式的不同對稱性。基于法諾共振的窄帶熱輻射（左圖）和基于連續域的束縛態的吸收或熱輻射調控（右圖）。

三. 非互易性

洛倫茲互易性是麥克斯韋方程內含的一種基本對稱性。互易性要求熱輻射系統具有相同的角光譜吸收率和反射率，因此降低了熱輻射系統的自由度和能量轉換過程中的效率。在線性熱光子學系統中，打破互易性的方法主要有兩類：即磁光效應和時空調制。磁光材料的非對角介電張量引入了非互易性；而在基于行波調制的系統中，模式轉換過程中的動量匹配要求會產生非互易性。非互易熱光子學的潛在應用包括提高光伏系統的能量轉換效率和實現熱整流器件等。

圖4：熱光子學中的非互易性。利用磁光效應（左圖）和時空調制（右圖）能夠打破洛倫茲互易性。

四. 總結與展望

該綜述強調了對稱性破缺在熱光子學中的重要性，深入討論并分析了幾何結構的非對稱性、電磁模式的不同對稱性、非互易性在基于微納光學結構熱輻射調控中的物理機制以及相關的熱光子學應用。此外，最新研究表明，在非厄密系統和轉角微納結構中，對稱性的破缺將會產生光學例外點等熱光子學新現象以及擴展調諧范圍的窄帶熱輻射器件等應用。

| 論文信息 |

Liu, T., Guo, C., Li, W., and Fan, S., Thermal photonics withbroken symmetries. eLight 2, 25 (2022). 

https://elight.springeropen.com/articles/10.1186/s43593-022-00025-z

中科院長春光機所副研究員劉天際和斯坦福大學郭誠博士為論文共同第一作者，斯坦福大學Joseph and Hon Mai Goodman 特聘教授Shanhui Fan和中科院長春光機所李煒研究員為論文的共同通訊作者。

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