Universal Theory of Light Scattering of Randomly Oriented Particles: A Fluctuational-Electrodynamics Approach for Modeling of Light Transport in Disordered Nanostructures
无序的纳米结构在许多纳米光子系统中经常遇到，从用于传感的胶体分散体到异质结构光催化剂。然而，随机性给纳米光子学建模带来了严峻的挑战，通常受到所涉及的散射体的不规则几何形状或问题本身的随机性的约束。在这篇文章中，我们解决了这个难题，提出了一个普遍的理论，平均光散射的随机取向的对象。具体地说，我们推导出了任意形状单个或一组目标的取向和偏振平均吸收截面、散射截面和非对称性参数的计算公式，这些公式可以用任何电磁散射方法求解。这三个参数可以直接集成到传统的非偏振辐射能量传递模型，使一个实用的工具来预测无序纳米结构材料中的多重散射和光传输。值得注意的是，平均光散射的公式可以根据波动电动力学的原理推导出来，允许类似的数学处理方法用于热辐射，非平衡电磁力和其他相关现象。所提出的建模框架进行了验证，对光学测量的聚合物复合材料薄膜与金属氧化物微晶。我们的工作在光散射理论中建立了一个新的范式，这可能有助于更好地理解光-物质相互作用的应用，例如，用于传感和光热治疗的等离子体，用于水分解和CO2解离的光催化剂，用于人工结构色的光子玻璃，用于辐射冷却的漫反射器，仅举几例。
2021-11-06 physics.optics
Fluctuational Quantum Electrodynamics of Dispersive Time-Varying Media
Universidad Autónoma de Madrid（马德里自治大学）；Condensed Matter Physics Center (IFIMAC), Universidad Autónoma de Madrid（马德里自治大学凝聚态物理中心 (IFIMAC)）；Instituto Nicolás Cabrera (INC), Universidad Autónoma de Madrid（马德里自治大学尼古拉斯·卡布雷拉研究所 (INC)）
研究色散时变介质的涨落量子电动力学，提出精确理论框架，推导出费米黄金定则定义局部态密度，证明其与经典功率等价，分析热辐射及动态卡西米尔效应，揭示新特征，展示时间调制对真空涨落和极化子的影响。
2026-07-27 physics.optics quant-ph
Extraordinary Photon Transport by Near-Field Coupling of a Nanostructured Metamaterial with a Graphene-Covered Plate
耦合的表面等离子体/声子极化激元和双曲模式已知可以增强穿过纳米真空间隙的辐射传输，但通常需要相同的材料。对于近场热光伏和热整流等应用，实现不同材料之间的强近场能量传递变得至关重要。在这项工作中，我们从理论上证明了纳米结构的超材料发射器和石墨烯覆盖的平面接收器之间的非凡的近场辐射传输。在20 nm的间隙距离处实现了近场耦合，光谱热流密度增加了两个数量级。通过仔细选择石墨烯化学势和硅纳米孔发射器和硅板接收器的掺杂水平，在400 K至300 K之间，总近场辐射热通量可以达到远场黑体极限的约500倍。通过近场表面等离子体激元耦合、涨落电动力学和色散关系阐明了其物理机制。详细分析了石墨烯化学势、发射极和接收极掺杂浓度以及真空间隙距离对近场耦合和辐射转移的影响。
2015-09-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Electrodynamics of Accelerated-Modulation Space-Time Metamaterials
基于匀速调制的时空变超材料在过去的十年里引起了人们极大的兴趣。我们在这里提出的第一个广泛的调查加速调制时空超材料。利用广义相对论的工具，我们建立了它们的电动力学原理，描述了它们的基本现象，并与运动物质介质的物理学进行了比较。我们表明，在加速调制超材料中传播的电磁光束在其过程中是弯曲的，这表明这种介质对光的时空弯曲，类似于引力。最后，我们展示了巨大的潜在多样性的加速调制超材料，通过演示相关的史瓦西孔。
2023-03-27 physics.optics
Axion electrodynamics without Witten effect in metamaterials
本文提出轴子电动力学的非局域扩展，设计了一种保留 Kerr 与 Faraday 旋转但不产生双子电荷、因而无 Witten 效应的非互易非局域超材料。
2023-08-16 cond-mat.mes-hall hep-ph physics.optics
Investigating planar Proca metamaterials in nonlinear (2+1)-Electrodynamics
Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas（巴西物理研究中心）；Universidade Federal do Rio de Janeiro（里约热内卢联邦大学）；Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia（巴伊亚西南州立大学）
研究含非线性效应等的平面电磁系统用于描述新型平面超材料，推导其本构关系，分析色散关系与相关参数的联系，发现仅背景磁场时其对介电函数和空间色散无贡献。
2026-07-28 hep-th physics.optics
Extreme nonlinear electrodynamics in metamaterials with very small linear dielectric permittivity
我们考虑了一个亚波长周期性分层介质，其板填充任意线性超材料和标准的非线性克尔介质，我们表明，均匀化介质的行为作为克尔介质的参数可以假设值在标准材料中不可用。利用这样一个参数的可用性，我们专注于线性相对介电常数是非常小的情况，从而允许观察极端的非线性制度的非线性极化是可比的，甚至大于整体介电响应的线性部分。在极端非线性区域中的电磁场的行为是非常特殊的，并且具有新颖的特征，例如，横向功率流反转。为了探索新的制度，我们考虑一类领域（横向磁非线性导波）承认充分的分析描述，我们表明，这些波被允许传播，即使在介质中与$ε<0$和$μ>0$，因为非线性极化产生积极的整体有效介电常数。所考虑的非线性波表现出，除了上述功能，一些有趣的属性，如超聚焦引起的相位差之间的字段组件。
2010-02-17 physics.optics
Hyperbolic Metamaterials
双曲型超材料最初被引入以克服光学成像的衍射极限。此后不久，人们意识到双曲型超材料展示了许多新颖的现象，这些现象是由它们的光子态密度的宽带奇异行为引起的。这些新的现象和应用包括超分辨率成像，新的隐身技术，增强的量子电动力学效应，热超导，超导和有趣的引力理论类似物。在这里，我们简要回顾了典型的材料系统，表现出双曲线的行为和概述双曲超材料的重要应用。
2015-10-24 cond-mat.mtrl-sci gr-qc physics.optics
Tungsten Nanowire Based Hyperbolic Metamaterial Emitters for Near-field Thermophotovoltaic Applications
双曲型超材料具有无限的波矢和高的光子态密度，近年来，双曲型超材料在纳米真空间隙中的近场辐射换热增强效应得到了广泛的研究.在这项工作中，我们从理论上分析了热光伏（TPV）电池的能量转换性能的In0.2Ga0.8Sb时，与HMM发射极组成的钨纳米线阵列嵌入在Al2O3主机在纳米真空间隙。采用脉动电动力学结合有效介质理论和各向异性薄膜光学计算了近场辐射换热。结果表明，在不同偏振态下，ε近零模和双曲模都能增强光谱辐射能量。其结果是，从一个半无限TPV电池的功率输出提高了1.85倍的纳米线HMM发射体与普通钨发射体在10 nm的真空间隙。此外，通过使用具有10 μ m厚度的薄TPV电池，转换效率可以从19.5%大大提高到31.5%而不影响发电，这是由于在底部电池界面处发生的全内反射最小化了子带隙光谱辐射能量。此外，还研究了有限厚度的TPV电池和纳米线发射极的影响。结果表明，当纳米线HMM发射极的厚度足够厚以达到不透明时，最佳电池厚度为3 μ m时，最大效率为32.2%。在这里获得的基本理解和见解将促进新材料的设计和应用，以提高近场TPV能量转换。
2014-10-11 cond-mat.mes-hall physics.optics
Electrically-gated near-field radiative thermal transistor
在这项工作中，我们提出了一个近场辐射热晶体管由两个石墨烯覆盖的碳化硅（SiC）板分开的纳米真空间隙。厚的SiC板充当热“源”和“漏”，而石墨烯片充当“门”，以通过对称或不对称地调节化学势与施加的偏压来调制近场光子隧穿。由涨落电动力学计算得到的辐射热通量随石墨烯化学势的变化而显著变化，这可以调节真空间隙中石墨烯等离子体激元之间的耦合。热调制，开关和放大，这是一个热晶体管所需的关键功能，理论上实现和分析。这项工作将为主动热管理、热电路和热计算铺平道路。
2015-01-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Spectrally enhancing near-field radiative heat transfer by exciting magnetic polariton in SiC gratings
在目前的工作中，我们从理论上证明，第一次，通过激发磁共振或极化激元，可以显着增强由亚波长真空间隙分离的一维周期性光栅微结构之间的近场辐射输运。采用涨落电动力学方法，结合散射矩阵理论和严格的耦合波分析，精确计算了两个SiC光栅之间的近场辐射热流。除了众所周知的耦合表面声子极化激元（SPhP），一个额外的光谱辐射热通量峰，这是由于磁极化激元，被发现的声子吸收带内的SiC。详细阐述了近场辐射输运中磁极化激元、耦合SPhP、单界面SPhP和Wood异常的机制、行为和相互作用。这一发现将开辟一条新的途径，通过微或纳米结构超材料的磁共振控制近场辐射传热。
2015-01-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Plasmonic metamaterial enhanced axionic magnetoelectric effect
轴电动力学预言了许多奇特的基于磁电的性质。近年来，人们利用一维多层膜等简单结构来研究这些轴向磁电响应，并经常利用Fabry-Pérot干涉机制来增强这些效应。在这封信中，我们提出了一种新的机制，超材料增强的轴向磁电响应，利用强烈增强的局部电磁场与等离子体共振。通过数值模拟，我们发现等离子体超材料可以将轴子磁电效应提高两个数量级。
2013-05-29 physics.class-ph physics.optics
Rest frame interference in rotating structures and metamaterials
利用旋转介质中电动力学的公式，我们把旋转对旋转介质静止坐标系中观察到的干涉和衍射图样的影响转化为明确的定量形式。作为一个范例实验，我们集中在均匀介质中的线性阵列的源产生的干扰。干涉由于旋转而失真;最大值现在遵循弯曲的轨迹。与经典的Sagnac效应不同，在Sagnac效应中，旋转引起的相位与折射率$n$无关，当$n$减小时，最大弯曲增加，这表明$ε$ -近零超材料可以增强光学陀螺仪和旋转引起的非互易器件。这个结果是违反直觉的，因为人们可能会期望传播得更快的波会弯曲得更少。通过引入科里奥利力作用的干涉的准粒子模型的闵可夫斯基动量图像和只有波的动量的亚伯拉罕图像，澄清了明显的矛盾。我们的结果也可能为非惯性电动力学中的亚伯拉罕-闵可夫斯基争议提供线索。
2019-08-22 physics.optics
Breach of symmetries in rotating arrays and metamaterials observed in their rest frame
发展和讨论了旋转介质静止系中的极化率理论和离散偶极子近似。该分析是基于严格的旋转介质格林函数，并用于研究旋转对各种阵列和超材料的影响。揭示和研究了旋转引起的非互易电动力学。虽然它可以解释在结构内的Sagnac干涉环的多重性，相关的旋转足迹表现出新的影响，以前没有报道在传统的Sagnac效应的结构参数。由此产生的非互惠性也将得到证明和讨论。
2019-08-14 physics.optics
Anisotropic Response in Metamaterials with Elliptically Perforated Plates: Applications to Near-Field Radiative Heat Transfer
本研究通过椭圆孔板设计实现了超材料的各向异性响应，用于近场辐射热传输的增强控制与热管理应用。
2025-12-04 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Fundamental limit to the rectification of near-field heat flow: The potential of intrinsic semiconductor films
在波动电动力学的框架内，我们推导了本征半导体薄膜介导的近场辐射热整流的基本极限。通过利用电磁局域态密度，我们确定了ε"_H/ε"_L作为整流幅度的上限，其中ε"_H和ε"_L分别是高温和低温下薄膜介电常数的虚部。该界限很紧，无论薄膜是否悬挂或支撑，都可以接近。对于本征硅，极限原则上可以超过10^9。我们的工作突出了控制热流作为有效的电流的可能性，并提供了潜在的实现这一目标的指导方针。
2022-03-17 cond-mat.mes-hall physics.optics
Magnetoelectric-field electrodynamics: Search for magnetoelectric point scatterers
电磁波在微小粒子上的共振散射是超材料科学中的基本问题之一。目前，特殊的亚波长谐振腔被认为是手征和双各向异性异向介质的结构元件。人们普遍认为，这些小散射体的行为就像“人造原子”，元原子，具有强的电和磁响应以及这些响应之间的互连。然而，在这些元原子中观察到的磁电（ME）耦合效应与由本征磁电引起的近场操纵特性无关。这就产生了电磁辐射的ME点散射体是否真的存在的问题。在本文中，我们表明，有介观结构的电和磁偶极子携带的激发，表现得像点散射与其固有的磁电。在这样的亚波长谐振器中，电极化的强度和磁化的相干振荡可以被认为是由静电（ES）和静磁（MS）标量波函数描述的准静态振荡。ME共振效应来自ES和MS两个振荡的耦合。这些谐振器的近场，称为ME近场，其特征在于同时违反时间反转和反转对称性。在研究电磁场及其相关电磁问题时，我们提出了电磁场电动力学的概念。像轴子场电动力学和轴子极化激元问题一样，我们讨论的是带有准标量源项的修正麦克斯韦方程组和大质量粒子的量子场论。轴子场是玻色子标量场，而ME场是费米子场。这些领域的特点是能量本征态的旋转超流和量子化的漩涡。
2022-09-13 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Review of foundational concepts and emerging directions in metamaterial research: Design, phenomena, and applications
在过去的二十年里，人们发现被称为超材料的人造结构表现出非凡的材料特性，能够前所未有地操纵电磁波、弹性波、分子和粒子。负折射、带隙、近完美波吸收、波聚焦、负泊松比、负热导率等现象，所有这些材料都是可能的。超材料最初是在电动力学中理论化和制造的，但对其应用的研究已经扩展到声学，热力学，地震学，经典力学和质量传输。在本研究更新中，我们按领域总结了超材料的历史，当前进展状态和新兴方向，重点是每个学科基础的统一原则。我们讨论了超材料背后的不同设计和机制，以及每个领域的控制方程和有效材料参数。最后，讨论了超材料的应用前景。最后，我们提供了一个展望未来的进展，在新兴领域的超材料。
2022-11-06 physics.app-ph physics.optics
Thermal equilibrium spin torque: Near-field radiative angular momentum transfer in magneto-optical media
光的自旋和轨道角动量在量子纳米光子学和拓扑电动力学中起着核心作用。在这里，我们表明，从有限大小的机构组成的非互易磁光材料的热辐射可以施加一个自旋力矩，即使在全球热平衡。超越了近场热传递的范式，我们计算近场辐射角动量传递有限大小的非互易物体Rytov的波动电动力学与光学角动量理论相结合。证明了在外加磁场作用下，与周围环境处于非平衡状态的单个磁光立方粒子会产生转矩（T对称性破缺）。此外，即使在全局热平衡中，具有未对准的旋轴的两个粒子经历具有相反符号的相等大小的扭矩，这倾向于使它们的旋轴彼此平行地对准。我们的结果是普遍适用的半导体，如InSb（磁等离子体），以及外尔半金属表现出异常霍尔效应（gyrotropy）在红外频率。我们的工作铺平了道路，近场角动量转移介导的热涨落的纳米器件。
2021-06-15 cond-mat.mes-hall physics.optics
Trace expressions and associated limits for equilibrium Casimir torque
本文利用涨落电动力学导出平衡卡西米尔扭矩的迹表达式，并通过拉格朗日对偶给出各向异性偶极粒子与宏观物体间卡西米尔扭矩的半解析结构无关界限。
2023-10-30 physics.optics
Dispersion Characteristics of Accelerated Spacetime-Modulated Media
本文开辟了非均匀速度时空调制（STM）的超材料领域，与常适当的加速度或等效的，双曲线加速度的STM超材料的典型例子。结合广义相对论和经典电动力学的工具，它导出了这种奇异介质的色散关系，并报告了它的基本物理，其最显著的特征是光在与调制方向相反的方向上的弯曲。
2022-02-21 physics.optics
Electrodynamics of magnetoelectric media and magnetoelectric fields
磁电和电磁的关系是微波和光波物理以及材料科学中的一个热门话题。磁电（ME）介质中电磁（EM）场的能量和动量的定义不是一个简单的问题。当我们研究电磁能量传播的影响并考虑ME介质中波的群速度时，出现了电磁和磁电是否可以共存而不扩展Maxwell理论的问题。能量平衡方程揭示了ME材料中场的特殊拓扑结构。在对介质的本构参数施加一定的约束的同时，还应对局部场结构施加一定的约束。分析ME材料内部的EM现象，我们应该回答这样一个问题：我们可以测量这种材料样品产生的近场是什么样的？ME状态的可视化需要一种实验技术，该技术基于对空间和时间反转对称性的违反的有效耦合。为了观察亚波长区域的ME能量，有必要假设存在第一原理近场，即ME场。这些都是非麦克斯韦近场的空间和时间反演对称性违反的特定属性。特别感兴趣的ME领域出现在研究的人工原子ME元素的超材料。
2019-09-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Spectrally enhancing near-field radiative transfer between gold gratings by exciting magnetic polariton in nanometric vacuum gaps
在本工作中，我们从理论上证明了由纳米真空间隙分隔的一维周期性光栅微结构之间的近场辐射输运可以通过激发磁极化激元而得到光谱增强。采用涨落电动力学方法，结合散射矩阵理论和严格的耦合波分析，精确计算了两个金光栅间的近场辐射通量。除了众所周知的耦合表面等离子体激元外，辐射通量也可以由于磁极化激元而在光谱上增强，磁极化激元是在金脊之间的间隙中激发的。详细阐明了近场辐射输运中磁极化激元的机制，但这种异常增强不能用Derjaguin近似或有效介质近似来预测。研究了两光栅间的真空间隙和光栅几何参数的影响。这一发现将为利用微纳结构超材料实现磁极化激元控制近场辐射转移开辟一条新途径。
2015-10-29 cond-mat.mes-hall physics.optics
Magnetoelectric energy in electrodynamics: Magnetoelectricity, bi(an)isotropy, and magnetoelectric meta-atoms
本文论证了磁电能量概念在亚波长磁电超原子及手性近场探测中的关键作用，并区分了本征磁电材料与双各向异性超材料的非局域性差异。
2023-06-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Metric-Induced Principal Symbols in Nonlinear Electrodynamics
Federal University of Itajubá（伊塔乌巴联邦大学）
本文提出通过光学度量诱导对象表述非线性电动力学的主符号，为在实验室中实现类比模型提供了新方法。
2026-02-24 gr-qc math-ph math.MP
The Measurement of Near-Field Thermal Emission Spectra using an Infrared Waveguide
我们描述了一种简单而强大的方法，使用内反射元件作为红外波导来测量近场热发射光谱。我们通过实验证明了由于石英和无定形二氧化硅中的表面声子极化激元的激发以及由于无定形二氧化硅和聚四氟乙烯中的受抑全内反射模式，各向同性介质的近场热发射的光谱窄峰。此外，我们还证明了在六方氮化硼这一各向异性单轴介质中双曲模的宽带近场热发射。我们还提出了一个理论方法的基础上的波动电动力学和并矢格林函数的一维分层介质的测量光谱的准确建模。
2019-06-21 cond-mat.mes-hall physics.ins-det physics.optics
Variational theory of non-relativistic quantum electrodynamics
实现光与物质之间超强耦合的能力有望带来控制材料特性的新方法，在原子尺度上操纵光的新概念，以及对量子电动力学（QED）的全新见解。因此，有必要发展量子电动力学现象在复杂的电子和光子系统的定量理论。在这封信中，我们开发了一个变分理论的一般非相对论QED系统的耦合光和物质。对于我们的分析来说，重要的是一个有效的光子真空的概念，它的模式与没有光-物质耦合的模式不同。这个变分公式导出了一组描述实空间中多光子模耦合的多电子系统的基态的一般方程。作为量子电动力学中对基态和激发态能量的从头计算方法的第一步，我们应用我们的理论描述了一个耦合到多个光学模式的多能级发射体，一个没有解析解的系统。我们发现一个紧凑的半解析公式，它描述了地面和激发态能量小于1%的误差在所有制度的耦合参数允许的总和规则。此外，我们的配方基本上提供了一个非微扰理论的兰姆位移和Casimir-波尔德力，以及提出新的物理概念，如腔中的一个原子的Casimir能量。我们的方法应该引起在一般QED系统中的现象，如卡西米尔力，兰姆位移，自发发射，和其他波动电动力学效应的高度准确的描述。
2018-10-22 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Time-modulated near-field radiative heat transfer
本文通过涨落电动力学形式体系研究时间调制下的近场辐射传热，证明时间调制能控制热流的增减、消除或反转，从而实现无限对比度的热二极管和近场辐射热机，揭示了传热系数的对称关系。
2023-10-12 physics.optics
Manipulating coherence of near-field thermal radiation in time-modulated systems
我们发现，在支持表面极化激元的时间调制光子系统中，可以操纵热辐射的空间相干性。我们开发了一个波动电动力学形式主义，这样的系统来计算在近场制度的发射热电磁场的交叉谱密度张量。我们的计算表明，由于时间调制，空间相干性可以在不同的频率之间转移，不同的频率分量之间的相关性成为可能。所有这些效应都是时间调制系统所独有的。我们还表明，光发射器的衰减率可以控制在这样的时间调制结构的附近。我们的研究结果为热辐射的相干控制、动态热成像、操纵热或光发射器之间的能量转移、有效的近场辐射冷却和分子的工程自发发射率开辟了一条有前途的途径。
2023-02-14 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Generalized coupled dipole method for thermal far-field radiation
我们介绍了一个多体理论的热远场发射的偶极电介质和金属纳米粒子在衬底附近的波动电动力学的框架内。我们的理论模型包括定义每个纳米颗粒的温度，衬底温度和背景热辐射的温度，分别的可能性。为了证明我们的方法的多功能性，我们应用它在一个示例性的方式，通过讨论平面SiC和Ag衬底上的SiC和Ag纳米颗粒的四个粒子组件的热辐射。此外，我们使用离散偶极子近似来确定在自由空间和接近衬底的球形纳米粒子的热发射。最后，作为另一个例子，计算的热远场辐射的一个尖锐的硅尖接近SiC衬底使用离散偶极子近似，包括近场散射的尖端以及尖端的热发射和贡献的衬底，这是部分地被尖端阻挡。
2022-05-20 cond-mat.mes-hall physics.optics
Twist-induced Near-field Thermal Switch Using Nonreciprocal Surface Magnon-Polaritons
本文研究扭转磁场下铁磁绝缘体平板的近场辐射传热，揭示不同阻尼条件下表面磁振子-极化激元对热开关比和传热增强的调控机制，为纳米尺度热管理提供扭转与磁控新途径。
2020-12-29 cond-mat.mes-hall physics.optics
Incandescent temporal metamaterials
本文基于宏观量子电动力学建立时间调制介质热辐射的量子理论，揭示跨频跨位电流关联、超黑体辐射及真空放大，并提出可全波矢窄带发射的ENZ白炽时间超材料。
2022-10-11 physics.optics quant-ph
Trace Expressions and Associated Limits for Non-Equilibrium Casimir Torque
我们利用波动电动力学呈现跟踪表达式的扭矩所经历的任意对象在一个被动的，非吸收的，旋转不变的背景环境。专门针对一个单一的对象，这种形式主义，再加上最近开发的技术，通过拉格朗日对偶计算界限，然后用于推导出限制的最大卡西米尔扭矩，一个单一的对象与各向同性的电极化可以体验时，与周围环境的平衡。在任何波长下可实现的最大扭矩示出成比例的身体体积在两个亚波长（准静态）和宏观（射线光学）设置，并在拓扑优化机构上可实现的扭矩的数量级内。最后，我们讨论了如何将形式主义扩展到多个机构，推导出两个亚波长粒子在彼此接近所经历的扭矩的表达式。
2022-07-27 physics.optics
Vacuum Thermal Switch Made of Phase Transition Materials Considering Thin Film and Substrate Effects
在本研究中，我们展示了一种基于相变材料之间近场热辐射的真空热开关，即，二氧化钒（VO2），其相在341 K时从绝缘体变为金属。类似的调制效应已经被证明，并将其扩展到薄膜结构与基板在本文中。两个绝缘VO2板之间的表面声子极化激元的强耦合显著增强了近场热通量，另一方面，当VO2发射体变成金属时，近场热通量大大降低，从而产生强的热开关效应。波动电动力学预测超过80%的传热减少在亚30纳米的真空间隙和50%的真空间隙为1微米。通过用几十纳米的薄膜代替体VO2接收器，可以在从10 nm到1 μ m的宽范围的真空间隙上进一步改善开关效果。此外，为了在实验和应用中更实用的设置，SiO2衬底效应也被考虑用于具有薄膜发射器或接收器的结构。
2014-10-06 cond-mat.mes-hall physics.optics
Zero-index and Hyperbolic Metacavities: Fundamentals and Applications
光学谐振腔（Optical Resonant Cavities，ORC）作为光操控的基本构件，在光操控中有着广泛的应用，它可以限制电磁波，改善光与物质之间的相互作用，在腔量子电动力学、非线性光学和量子光学中也发挥着重要作用。特别是近年来，由亚波长单胞组成的人工材料--超材料的兴起，极大地丰富了有机硅的设计和功能。在这里，我们回顾零指数和双曲型超材料构建新的ORC。本文首先介绍了零折射率和双曲型超材料的分类和实现方法。其次，总结了零折射率腔和双曲腔的独特性质，包括零折射率（双曲）亚腔的几何不变性、均匀/非均匀场分布和拓扑保护（反常标度律、尺寸无关性、高阶模连续性和无色散模）。最后介绍了零指数亚腔和双曲亚腔的一些典型应用，并对亚腔的研究进行了展望。
2021-05-26 physics.app-ph physics.optics
Strong radiative interactions and subradiance in disordered metamaterials
我们提供了详细的实验结果和数值模拟之间的比较大的合作相互作用，空间无序的超材料阵列，由不对称的分裂环。模拟方法充分结合了强场介导的离散谐振腔之间的亚原子间相互作用和无序的统计特性，同时近似了谐振腔的内部结构。尽管大的系统尺寸，我们发现模拟和实验之间的定性协议，并表征所观察到的无序响应的微观起源。宏观电动力学的微观描述揭示了具有强场介导的相互作用的无序阵列的响应如何与它们对电磁波的合作响应内在地联系在一起，其中多重散射引起单个谐振器的激发之间的强相关性。而对于一个规则的阵列的响应可以压倒性地占主导地位的空间扩展的集体本征模式与subradiant特性，逐渐增加的位置的障碍迅速导致空间定位的电和磁的双极激发配置文件的本征模式。我们展示了如何将无序和合作相互作用的影响映射到远场光谱中的透射共振上，并测量随着无序的增加而向红色移动的共振的“合作兰姆位移”。无序和相互作用之间的相互作用一般是最显着的微波阵列，但我们发现，在适当的制度，也可以实现等离子体光学系统的强烈的无序效应。
2018-12-26 physics.optics
Processing-Dependent Near-Field Radiative Heat Transfer at Au/SiC Interfaces
Instituto de Física, Universidad Nacional Autónoma de México（墨西哥国立自治大学物理研究所）
本研究通过热退火调控Au/SiC界面近场辐射热传输，发现退火可增强数十纳米间距处的热传输，源于等离子体表面模式耦合的增强。
2026-01-07 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Radiative heat transfer and nonequilibrium Casimir-Lifshitz force in many-body systems with planar geometry
本文介绍了平面N体系统在非热平衡条件下光子介导的能量和动量转移的一般理论。它是基于多体系统中的散射理论和涨落电动力学方法的结合。通过建立传热问题的兰道尔式方程，推导出两个不同平板之间的能量传输系数以及自耦合系数的显式公式，并以单个物体的反射系数和传输系数表示。我们还展示了如何计算局部平衡温度在这样的系统。一个类似的公式被引入到量化描述Casimir Lifshitz力的热平衡的动量传递系数。热平衡时的力作为一种特殊情况很容易得到.作为这个一般理论框架的一个例子，我们展示了三体系统中第四块板的存在如何影响热传递问题中的平衡温度和作用于系统的力所产生的平衡位置。
2017-05-03 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Near field radiative heat transfer between two nonlocal dielectrics
利用波动电动力学方法研究了两个半无限平行非局域介质平面间的近场辐射换热。我们使用Halevi和Fuchs提出的非局域介电常数函数理论。该理论的优点是包括文献中执行的不同模型。根据该理论，非局域介电函数由Lorenz-Drude类单振子模型描述，其中空间色散效应由取决于总波矢k的平方的附加项表示。该理论考虑了电磁激励在介质材料表面的散射，这导致需要附加边界条件来求解麦克斯韦方程组和处理电磁传输问题。附加边界条件作为附加表面散射参数出现在表面阻抗的表达式中。结果表明，非局部建模偏离经典的$1/d^2$法律在纳米范围内的距离仍然大于量子效应预计发挥作用。
2015-07-17 cond-mat.mtrl-sci physics.class-ph physics.optics
Performance Analysis of a Near-Field Thermophotovoltaic Device with a Metallodielectric Selective Emitter and Electrical Contacts for the Photovoltaic Cell
提出了一种采用钨铝交替多层发射极的近场热光伏（TPV）系统。应用波动电动力学和并矢格林函数计算多层结构的光谱热流，求解电荷输运方程，得到光电流产生和电功率输出。当用多层辐射体代替普通钨辐射体时，光谱热流得到了很大的提高。分析了钨薄膜中表面等离子体激元耦合对热流增强的作用机理。此外，还讨论了有效介质理论在预测多层膜结构近场辐射光学特性时的失效性。钨和氧化铝层的厚度进行了优化，以匹配光谱热通量与TPV电池的带隙。实际上，在TPV电池的背面放置金反射器，其也用作背电极，并且5 nm厚的氧化铟锡（ITO）层作为前接触，当发射器和接收器温度分别设置为2000 K和300 K时，在100 nm的真空间隙距离下，转换效率和输出功率分别达到23.7%和0.31 MW/m2。
2015-09-22 cond-mat.mes-hall physics.optics
Localized magnetic plasmons in all-dielectric mu<0 metastructures
已知超材料表现出自然界中不存在的各种电磁特性。我们表明，一个全介质（非磁性）系统组成的深亚波长，高介电常数谐振球具有有效的负磁导率（介电常数是积极的和小）。由于经典电动力学中电磁波方程的对称性，可以在由这种超材料制成的超球面中激发局部“磁”等离子体共振。这是从理论上证明了耦合偶极子近似和数值计算的真实球，在完全一致的精确解析解的散射过程中，由有效介质理论预测的有效材料属性相同的超球面。这种现象的出现作为一个功能的结构内的亚结构的顺序也进行了研究。实现有效负磁导率的普遍条件与亚波长球体介电常数和尺寸与临界填充分数有关。我们的建议铺平了道路（全电介质）磁等离子体，具有丰富的迷人的应用。
2015-06-11 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall physics.optics
GaAs-Based Near-Field Thermophotonic Devices: Approaching The Idealized Case With One-Dimensional PN Junctions
热光子学（TPX）是一种接近热光子学（TPV）的技术，其中加热的发光二极管（LED）用作系统的主动热发射器。它允许通过电致发光将热通量调谐到更好地匹配光电池的间隙的光谱范围。该概念扩展到近场热光子学（NF-TPX），其中增强的能量转换是由于电气控制和波隧穿。我们进行了彻底的数值分析的GaAs基NF-TPX设备，通过耦合近场辐射传热求解器的基础上波动电动力学与算法的基础上简化版本的漂移扩散方程在1D。这允许在LED和光伏（PV）电池的发射和吸收曲线的调查，并为关键参数的影响的审查。我们还表明，该算法获得的性能可以接近理想的情况下，改进的设备。对于所考虑的简化架构和300 K的温差，我们发现1 W·cm-2的功率密度输出，强调了接近环境温度的废热收集的潜力。
2022-01-07 physics.app-ph physics.optics
Thermodynamics of light management in near-field thermophotovoltaics
我们评估近场热光伏（TPV）能量转换系统，特别是集中在他们的开路电压（Voc）。与以前的分析主要基于波动电动力学的数值模拟不同，在这里，我们开发了一个分析模型，该模型捕获了近场TPV系统的物理特性，并可以预测其性能指标。使用我们的模型，我们确定了TPV系统在近场操作的两个重要机会。首先，我们分析表明，增强辐射复合是一个自然的结果，在近场操作。其次，我们注意到，由于近场操作中的光子再循环和最小的辐射泄漏，近场TPV系统中使用的PV电池与太阳能PV系统中使用的PV电池相比可以薄得多。由于非辐射复合是体积效应，因此使用较薄的电池减少了每单位面积的非辐射损失。随着TPV真空间隙的减小，这两种机会的结合导致Voc值越来越大。因此，尽管之前认为近场中的操作有利于电功率密度增强，但在此，我们强调薄膜近场TPV在Voc以及因此的转换效率和功率密度方面也具有显著优势。我们提供了数值计算结果的InAs基薄膜TPV，表现出效率> 50%，在发射极温度低至1100 K。
2021-07-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Many body heat radiation and heat transfer in the presence of a non-absorbing background medium
热辐射和近场辐射传热可以通过调整几何形状、光学性质或所涉及的物体的相对位置来强烈地操纵。通常，这些物体被认为是嵌入在真空中。应用波动电动力学方法，推导了$N$任意物体嵌入无吸收背景介质系统中热辐射和热传递的一般封闭形式表达式。考虑到互惠原则，我们明确证明了在任何这样的系统中的对称性和积极的转移。关于应用，我们发现，球的热辐射以及两个平行板之间的热传递强烈增强的背景介质的存在。关于近场和远场传输通过气体，如空气，我们表明，微观模型（基于气体颗粒）和宏观模型（使用介电对比度）产生相同的结果。我们还比较了辐射转移通过一个介质，如空气和能量转移发现从动能气体理论。
2016-10-24 physics.class-ph physics.optics quant-ph
Near-field dynamical Casimir effect
本文提出在有限温度近场系统中实现动态卡西米尔效应，通过严格涨落电动力学分析，发现量子贡献主导，并可在高达250K下产生非经典光子态，为超越低温的卡西米尔研究开辟新路。
2025-03-20 physics.optics quant-ph
Enhancement and tunability of near-field radiative heat transfer mediated by surface plasmon polaritons in thin plasmonic films
热物体和冷物体之间的热辐射交换的性质可以被强烈地修改，如果它们在近场中相互作用，其中电磁耦合发生在比热辐射的主波长窄的间隙上。使用严格的波动电动力学方法，我们预测，超薄膜的等离子体材料可以用来显着提高近场传热。总的光谱集成的膜到膜的热传递比块体形式的相同材料之间的热传递大一个数量级以上，并且也超过了用诸如SiC的极性氮化物可实现的水平。我们将这种增强归因于由于每个薄膜两侧的表面等离子体激元（SPPs）之间的耦合而导致的辐射热传递的显著光谱展宽。我们表明，辐射热通量谱可以进一步形成的薄膜沉积在其上的基板的选择。特别是，衬底支持表面声子极化激元（SPhP）强烈修改热通量谱由于SPPs之间的相互作用的薄膜和SPhP的衬底。在极性介电基板上使用薄膜相变材料允许在SPP介导的峰和SPhP介导的峰之间动态切换热通量谱。
2016-04-27 physics.optics
Experimental observation of melting of the effective Minkowski spacetime in cobalt-based ferrofluids
双曲型超材料最初被引入以克服光学成像的衍射极限。此后不久，人们意识到，他们展示了一些新的现象，这些现象是由他们的光子态密度的宽带奇异行为造成的。这些新的现象和应用包括显微镜，隐形技术，增强量子电动力学效应，热超导，超导和有趣的引力理论类似物。在这里，我们描述了钴纳米粒子为基础的铁磁流体在外部磁场的存在下的行为，并证明它形成一个自组装的双曲型超材料，这可以被描述为一个有效的三维闵可夫斯基时空非常光子。此外，这种光子将铁磁流体中的热梯度感知为引力场的模拟，其服从牛顿定律。如果磁场不够强，有效闵可夫斯基时空在热涨落的影响下会逐渐融化。另一方面，如果将磁场增加回到其原始值，则其可以恢复自身。这样的闵可夫斯基时空熔化/结晶的直接微观可视化，这是有点类似于假设的形成闵可夫斯基时空在圈量子宇宙学，并可能模仿各种宇宙学大爆炸的情况。
2016-07-08 gr-qc physics.optics
