熱納米光子學(xué)實(shí)現(xiàn)了從能源技術(shù)到信息處理的技術(shù)應(yīng)用的根本性突破。從熱發(fā)射器到熱光電和熱偽裝，精確的光譜工程一直受到試錯(cuò)法的限制。同時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)在納米光子和超材料的設(shè)計(jì)中展示了其強(qiáng)大的能力。然而，開(kāi)發(fā)一種通用的設(shè)計(jì)方法來(lái)定制具有超寬帶控制和精確波段選擇性的高性能納米光子發(fā)射器仍然是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兪艿筋A(yù)定義的幾何形狀和材料、局部?jī)?yōu)化陷阱和傳統(tǒng)算法的限制。

2025年7月2日，上海交通大學(xué)周涵、張荻、新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉、美國(guó)德克薩斯大學(xué)鄭躍兵共同通訊在Nature在線發(fā)表題為“Ultrabroadband and band-selective thermal meta-emitters by machine learning”的研究論文，該研究提出了一種基于非傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)的范式，可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)包含三維結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和材料多樣性的稀疏數(shù)據(jù)的多參數(shù)優(yōu)化來(lái)設(shè)計(jì)大量超寬帶和波段選擇性熱元發(fā)射器。該研究為制造三維納米光子材料提供了一個(gè)通用的框架，通過(guò)擴(kuò)展幾何自由度和維度以及全面的材料數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)促進(jìn)全局優(yōu)化。

熱輻射是自然界的一個(gè)基本特征。納米光子工程用于定制熱發(fā)射光的光譜、方向性和偏振，具有廣泛的應(yīng)用范圍。對(duì)于每種應(yīng)用，必須仔細(xì)設(shè)計(jì)熱發(fā)射器的理想光譜分布，以適應(yīng)環(huán)境的變化，無(wú)論是地外環(huán)境還是陸地環(huán)境、大氣條件、工作溫度還是濕度水平。例如，對(duì)于地面、亞環(huán)境、被動(dòng)冷卻和緩解城市熱島效應(yīng)，波段選擇性熱發(fā)射器在透明大氣窗口中表現(xiàn)出近單位發(fā)射率，在非大氣窗口波長(zhǎng)下表現(xiàn)出近一單位反射率，這一點(diǎn)至關(guān)重要。相反，在整個(gè)中紅外波段具有高發(fā)射率的寬帶發(fā)射器對(duì)于白天高于環(huán)境的冷卻和外星應(yīng)用至關(guān)重要。因此，一種通用的設(shè)計(jì)方法對(duì)于具有所需光譜輪廓的定制發(fā)射器的高效和精確設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的通用逆向設(shè)計(jì)范式（圖源自Nature）

該研究開(kāi)發(fā)了一種結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的通用設(shè)計(jì)平臺(tái)，可以自主高效地發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化各類熱發(fā)射超材料。這一框架不僅極大拓展了熱超材料的設(shè)計(jì)空間，還推動(dòng)了納米尺度光-物質(zhì)相互作用研究的突破。通過(guò)精準(zhǔn)的光譜調(diào)控，已成功研發(fā)出多種可規(guī)模化應(yīng)用于建筑等基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)用材料。這一通用的機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)框架，為下一代反向設(shè)計(jì)范式變革提供了技術(shù)基礎(chǔ)。未來(lái)，隨著更多結(jié)構(gòu)元素、排列方式和材料特性的加入，該平臺(tái)有望廣泛應(yīng)用于各類納米光學(xué)材料設(shè)計(jì)，甚至拓展到彩色超材料、超光學(xué)、拓?fù)涔庾訉W(xué)等更前沿領(lǐng)域。

參考信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09102-y