論文信息：

Ziqi Yu, Xiaopeng Li, Hyung-Suk Kwon, Taehwa Lee, and Hideo Iizuka.Significantly Reduced Rotation Frequency for Controlling Near-Field Heat Transfer between Rotating Objects by a Nonreciprocal Substrate,ACS Photonics 2024, 11, 4865?4872

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c01379

研究背景

控制近場輻射熱傳輸對于熱光電伏、熱測量、熱成像與管理等應用領域的突破至關重要。近年來，研究進展顯著，包括時間調制、旋轉納米結構、移動襯底、以及通過合成場調諧的量子諧振器等主動方法，這些方法展示了在被動系統中難以或未曾觀察到的現象。最近的一項研究報道了在低溫下，通過調節兩個旋轉各向同性納米結構的近場熱傳輸，而高旋轉頻率和低溫條件可能成為實驗觀察和實際應用的瓶頸。過去的研究表明，單個粒子在襯底上方的量子摩擦增強，在不同情境下，將非互易性歸因于非對稱熱傳輸，留下了一個有趣的問題，即同時利用表面共振和非互易性是否可以進一步控制近場熱傳輸。在本工作中，我們研究了兩個磁光粒子之間的近場輻射熱傳輸的主動控制，并通過利用粒子的光學各向異性、襯底中表面共振的激發以及它們之間的自旋-自旋耦合，顯著降低了反向熱傳輸所需的粒子旋轉。

研究內容

圖1展示了本文所考慮的兩個系統。在圖1a中，一個熱和一個冷InSb粒子，半徑為r，分別在溫度T1和T2下排列在x軸上，兩者之間相隔距離d，至少為5r，以應用偶極近似。周圍環境溫度為Tenv。粒子圍繞y軸以頻率Ω1和Ω2旋轉，這些頻率遠小于InSb共振頻率。指向+y方向（By）的磁場在xz平面內誘導出環繞粒子的圓形模式（與局域等離子體振蕩和光學聲子有關），在襯底下方，這些模式可以自旋耦合到具有±kx的表面等離子體激元（SPP）模式。因此，我們期望通過圖1b所示的配置增強對熱傳遞的控制，其中將一個半無限InSb襯底（也受By影響）放置在粒子下方，距離h≥5r。

圖1，在溫度為T1（熱）和T2（冷）下，兩個InSb粒子繞y軸以角速度Ω1和Ω2旋轉的草圖。

我們首先證明，即使在沒有襯底的情況下，由非互易材料制成的旋轉粒子對之間，實現預定熱傳遞所需的旋轉頻率也可以降低。在數值計算中，我們通過設定d = h = 10r = 100 nm來考慮近場區域。粒子的溫度分別為T1 = 310 K和T2 = 300 K，為簡化起見，假設T2 = Tenv。圖2a、b展示了在0 T（零場）和10 T磁場下，平均功率P2作為Ω1和Ω2的函數，P2(Ω1, Ω2)的變化情況。將襯底引入系統中會導致多種效應，這取決于磁場。我們首先表明，當維持于Tsub溫度（假設與T2相同，即Tsub = T2 = Tenv = 300 K）的InSb襯底位于粒子下方時，即使在零磁場By = 0 T的情況下，熱反轉發生在遠小于Ω2的值（見圖2c）。

圖2. 冷粒子所接收的平均功率P2(Ω1, Ω2)在0 T磁場下的情況：(a)無襯底時；(c)有襯底時；以及(b)10 T磁場下無襯底的情況。

圖3. 當粒子處于（a）真空中的（a）0和（b）10 T磁場或（c）置于InSb襯底上方且受到0 T磁場的條件下時，計算得到的[Δ(MΩ)21 ? ΔU? 21]量。 (d) 與（c）相同，但假設通過襯底的熱損失可以忽略不計。

圖4. (a) 不同磁場下熱反轉所需的|Ω2|最小值。"+"和"-"符號表示旋轉方向。“Op”指應用于粒子與襯底的相反磁場。(b) Ω2+和(c) |Ω2-|以滿足P2 = 0的條件。(d) Byp = Bys= 10 T和(e) Byp = ? Bys = ?10 T時，光譜角動量大小與旋轉頻率Ω2的關系。

圖5中，我們討論了自旋-自旋耦合作用，傾向于選擇具有相同自旋的粒子和表面模式，這不僅引發了非對稱的熱傳遞，還使得在較低旋轉頻率下實現熱量逆轉成為可能。

圖5. (a?c) 在磁場應用于粒子（襯底）時，P2 和 (e?g) Δ(MΩ)21 ? ΔU? 21隨 Ω1 和 Ω2 變化的關系，磁場強度分別為：(a, e) 10 (10) T，(b, f) 10 (?10) T，(c, g) ?10 (10) T。 (d) 在 Ω1 = 0 和 Ω2 = 8 × 1011 rad/s 時評估的冷粒子接收的頻譜平均功率（(a?c)中的圓形符號）。

圖6. 滿足P2(Ω1, Ω2) = 0的旋轉頻率Ω1和Ω2隨磁場強度B從0增加到10 T的變化關系。

結論與展望

總之，我們研究了室溫下旋轉InSb顆粒之間的近場熱傳遞，并發現當它們具有光學各向異性時，熱反轉的旋轉頻率降低。這種降低通過在附近的InSb襯底中激發表面模式進一步加劇（約降低55倍），這些模式增加了熱損失并誘導自旋-自旋耦合。我們的模型可以輕松擴展到多體系統，其中可能出現更奇異的現象。通過利用光學各向異性和表面共振，我們展示了近場熱傳遞的主動控制，以本文中的熱反轉為例，在顯著降低旋轉頻率的情況下實現。這將有利于通過旋轉納米結構調節近場熱傳遞相關現象的實驗觀察。

下面是廣告