Beam-controlled spectral-selective architecture with planar polydimethylsiloxane/metal-films for all-day radiative cooling
辐射冷却是一种零耗电的被动冷却策略。虽然这项技术在夜间最佳大气条件下可以很好地工作,但在白天实际出现峰值制冷需求时,必须实现有效的辐射制冷。在这篇文章中,我们报告了一种廉价的平面聚二甲基硅氧烷(PDMS)/金属热发射器,即,一种使用快速溶液涂覆工艺制造的薄膜结构,其可扩展用于大面积制造。通过操纵热辐射的聚束效应,在实验室和室外环境中分别证明了9.5 °C和11.0 °C的温度降低。此外,一个光谱选择性的太阳能遮蔽建筑的设计和实施,以抑制在白天的太阳输入。由于热辐射的方向性增强,辐射冷却性能对周围环境的依赖性被最小化。室外实验在纽约州布法罗市进行,在美国北部纬度典型的晴朗晴天实现了平均功率约为120 W/m2的全天连续辐射冷却。这种实用的被动冷却策略,在没有任何电力输入的情况下进行冷却,可能会对全球能源消耗产生重大影响。
2018-09-28 physics.app-ph physics.optics
Spectrally-selective dynamic radiative thermoregulation via phase engineering
Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago(芝加哥大学普里茨克分子工程学院);Computer Science Department, Worcester Polytechnic Institute(伍斯特理工学院计算机科学系);School of Materials Science and Engineering, Nanyang Technological University(南洋理工大学材料科学与工程学院);Department of Physics, Stanford University(斯坦福大学物理系)
通过相工程实现光谱选择性动态热调节器,利用介电帽和低损耗金属MIT状态,实现可调热发射率,应用于节能建筑和多光谱伪装
2025-12-05 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
A Disordered Photonic Medium Enabling Ultrabroadband Light Scattering and Selective Longwave Infrared Emission
Princeton University(普林斯顿大学)
本文通过吸收-散射竞争因子设计无序光子介质,实现无金属反射器的紫外至远红外反射与选择性长波红外发射,并验证了其增强辐射冷却和季节性热调节性能。
2026-05-29 physics.app-ph physics.optics
A simple radiative thermal diode
我们提出了一个热整流装置的概念,基于两个选择性发射器之间的远场辐射交换。整流是由于这样的事实,即选择性发射器的辐射特性之一是独立于温度,而其他发射器的性能是强烈的温度依赖性。提出了一种由金属(Au)和半导体(Si和HDSi)两层薄膜构成的简单器件。该器件在温差ΔT = 200 K时的整流率高达70%,这是迄今为止基于辐射的整流器从未实现过的整流率。进一步优化将允许更大的整流值。所提出的结果可能是有用的能量转换装置,智能辐射冷却器/绝缘体工程和热调制器的发展。
2013-06-26 cond-mat.mes-hall physics.class-ph physics.optics
Broadband reflectionless metasheets: Frequency-selective transmission and perfect absorption
传播的电磁波的能量可以在薄的损耗层中被完全吸收,但仅在窄频带中,如因果关系原理所示。另一方面,它似乎是没有基本的限制薄吸收层的宽带匹配。然而,已知的薄吸收器在谐振吸收带之外产生显著的反射。在本文中,我们探索的可能性,以实现一个薄的吸收层,不产生反射波在一个非常宽的频率范围内,而传输系数有一个狭窄的峰值的充分吸收。在这里,我们表明,理论和实验,宽带匹配的薄谐振吸收,不可见的反射,可以实现,如果一个相同的谐振模式的吸收阵列单元被用来创建电和磁响应。我们测试这个概念,使用手性粒子在每个单位细胞,安排在一个周期性的平面外消旋阵列,利用手性耦合在每个单位细胞,但补偿场耦合在宏观层面上。我们证明了这个概念和所提出的实现方法也可以用于创建非反射层,以完全控制透射场。我们的研究结果可以在整个电磁波谱上具有广泛的潜在应用,例如,包括完美的超紧凑滤波器和选择性多频传感器。
2015-02-23 physics.optics
Optimal interactions of light with magnetic and electric resonant particles
本文研究了亚波长散射体的远场和近场电磁响应的极限,如无耗散射体的么正极限和有耗粒子的理想吸收极限。这些极限行为描述的解析公式,近似有限尺寸效应,同时严格包括辐射校正。该分析预测了金属和介电纳米颗粒的电和/或磁极限响应,同时定量描述了近场增强。
2015-10-07 physics.optics
Near-Field Radiative Heat Transfer Between Metasurfaces: A Full-Wave Study Based on 2D Grooved Metal Plates
超材料具有人工体电磁态和表面电磁态。表面波的色散特性使得人们可以在两个相邻物体之间实现可控的超普朗克辐射传热(RHT)过程。我们通过全波散射方法数值演示了两个二维凹槽金属板之间增强的RHT。这种增强效应来源于横向磁欺骗表面等离子体激元和一系列横向电键合和反键合波导模式。RHT频谱是频率选择性的,并且是高度几何可剪裁的。我们的模拟还揭示了组成材料中的热激发非共振表面波可以在两个板之间的极小间隔处对RHT发挥主导作用,使得超材料模式对于能量传递过程无关紧要。
2016-07-19 physics.optics
Selective excitation of bright and dark plasmonic resonances of single gold nanorods
等离子体暗模是纯近场共振,因为它们的偶极矩在远场消失。这些模式对于增强纳米尺度下的非线性光-物质相互作用特别有意义,因为辐射损耗被减轻,因此增加了共振的固有寿命。然而,通过标准远场方法的暗模式的激发通常是低效的,因为电磁近场分布的对称性与激发场具有差的重叠。在这里,我们展示了选择性的光激发亮和暗等离子体模式的单个金纳米棒的空间相位成形的激发光束。使用双光子发光测量,我们明确地确定的对称性和顺序的发射模式,并分析其角分布的傅立叶空间成像。
2015-09-23 physics.optics
Passive radiative cooling using temperature-dependent emissivity can sometimes outperform static emitters
本研究提出一种可在波长选择态与宽带发射态间切换的温度可调谐热发射体,利用VO₂相变实现,能在全温度范围保持高制冷潜力,性能优于传统静态发射体。
2025-06-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Selective Addressing of Coupled Qubits via Complex Frequency Zero Targeting
本文提出利用复频率脉冲匹配有损耦合量子比特-波导系统的复反射零点,实现对目标量子比特的选择性激发并显著抑制串扰,仿真表明其性能优于传统高斯脉冲。
2025-06-03 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Many-Body Floquet Theory for Radiative Heat Transfer in Time-Modulated Systems
Laboratoire Charles Fabry, UMR 8501, Institut d’Optique, CNRS, Université Paris-Saclay(查尔斯·法布实验室,UMR 8501,光学研究所,法国国家科学研究中心,巴黎萨克雷大学)
本文提出了一种多体Floquet理论,用于研究时间调制系统中的辐射热传递,通过非稳态相关性和记忆效应扩展了波动电动力学,并实现了对纳米尺度热传递的主动频率选择性控制。
2025-12-11 cond-mat.mes-hall physics.optics
Wide-angle spectrally selective absorbers and thermal emitters based on inverse opals
工程光学吸收剂在从减少杂散光到能量转换的应用中具有重要意义。我们展示了一种大面积(厘米级)的超材料,其特点是在中红外波长范围内的近单位频率选择性吸收。超材料包括自组装的多孔结构,称为反蛋白石,这里由二氧化硅制成。该结构的大体积分数的空隙,以及二氧化硅在中红外光谱范围内的振动共振,将超材料的折射率降低到接近空气的折射率,并引入相当大的光吸收。结果,频率选择性结构即使在非常倾斜的入射角下也有效地吸收两种偏振的入射光。吸收器在高温下(测量高达~900摄氏度)保持稳定,使其能够作为频率选择性热发射器运行。这种吸收器/发射器的优异性能和易于制造使其成为被动辐射冷却,激光安全和其他大面积应用的有前途的表面涂层。
2019-10-08 physics.app-ph physics.optics
Suppressed-scattering windows for radiative cooling applications
共振纳米粒子对光的光的散射是提高日光辐射制冷中太阳反射率的关键过程。在这里,我们研究了材料分散对用于辐射冷却应用的流行纳米颗粒的散射性能的影响。我们发现,由于材料分散,纳米粒子在可见光频率下具有定性相似的响应,在红外频率下表现出根本不同的散射特性。据发现,分散的纳米粒子表现出抑制散射窗口,允许选择性的热发射内的高反射率的样品。抑制散射窗口的存在仅取决于材料色散,并且即使在随机复合材料和周期性超颖表面中,它们也被钉扎到相同的波长。最后,我们调查硅酸钙水合物(CSH),混凝土的主要阶段,作为分散主机的一个例子,说明纳米粒子和主机的协同设计允许调整的抑制散射窗口。我们的研究结果表明,控制纳米孔隙率将使混凝土与日光被动辐射冷却能力。
2022-09-23 physics.app-ph physics.optics
Modulating radiative heat and momentum transfer via the thermal Purcell effect
Graduate School of China Academy of Engineering Physics(中国工程物理研究院研究生院)
利用热Purcell效应,通过法布里-珀罗腔几何约束选择性增强或抑制辐射热、线动量和角动量传递,实现纳米尺度能量和动量传递的调控。
2026-06-23 cond-mat.mes-hall physics.optics
Near-field relaxation of a quantum emitter to 2D semiconductors: surface dissipation and exciton polaritons
量子发射体的总自发发射率的存在下,一个无限的MoS \textsubscript{2}单层增强了几个数量级,相比其自由空间的值,由于表面激子极化激元模式和损耗模式的激发。分析了自发发射率的光谱和距离依赖性,并确定了损耗表面波、表面激子极化激元模式和辐射贡献。对于量子发射体的不同发射频率,可以激发出横向磁激子和横向电激子极化激元模,它们对总自发发射率的贡献是不同的。为了计算这些不同的衰变率,我们使用光-物质相互作用的非厄米描述,采用格林张量形式主义。距离依赖性遵循不同的趋势取决于量子发射体的发射能量。对于有损耗表面波的情况,距离依赖性遵循$z^{-n}$、$n=2,3,4$趋势。当横向磁激子极化激元模式被激发时,它们占主导地位,并表征在存在的MoS \textsubscript{2}层的量子发射体的自发发射率的距离依赖性。研究了量子发射体与MoS \textsubscript{2}超晶格之间的相互作用,观察到超晶格所支持的模式的分裂。此外,随着层数的增加,观察到量子发射体的自发发射率的峰值的蓝移。由量子发射体产生的场分布轮廓被用来解释这种行为。
2016-08-09 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Maximum Electromagnetic Local Density of States via Material Structuring
电磁局域态密度(LDOS)在光子学工程的许多方面都是至关重要的,从增强光子源的发射到辐射传热和光子学。我们提出了一个框架,用于评估结构化介质中的LDOS上界,该结构化介质可以处理任意带宽,并考虑临界波散射效应,无需启发式近似。边界仅由带宽、材料磁化率和器件占用面积确定,而不对几何形状进行假设。我们推导出一个解析表达式的最大LDOS一致的能量守恒在整个设计域,拓扑优化结构的基准测试后,被证明是几乎紧密的大型设备。最大LDOS增强新的标度律被发现:边界饱和到一个有限的值,增加敏感性和规模的四次方根的带宽的半无限结构的有耗材料,材料选择和设计应用程序的直接影响。
2022-10-01 physics.optics
Fundamental limits to optical response in absorptive systems
在可见光和红外频率,金属显示出诱人的希望,为强大的亚波长共振,但材料损失通常会抑制响应。我们得到的吸收系统的光学响应的基本限制,边界的最大增强可能的固有材料损耗。通过基本的能量守恒原理,我们推导出几何无关的限制,每体积的吸收和散射率,和局部密度的状态增强,代表的功率辐射或消耗的偶极子附近的物质体。我们提供了在任何频率下接近我们的吸收和散射极限的结构的例子,相比之下,我们发现常见的“天线”结构远远低于我们的辐射LDOS界限,这表明有可能进一步改进。限制的基础是一个简单的度量,$|χ|^2 / \operatorname{Im} χ$的材料与磁化率$χ$,使广泛的技术评估的损耗材料在光频率。
2016-01-06 physics.optics
Thermal graphene metamaterials and epsilon-near-zero high temperature plasmonics
热光伏(TPV)发射器的关键特征是对应于刚好高于吸收光伏电池的带隙的能量的热发射的增强和低于带隙的热发射的同时抑制。我们在这里表明,单层等离子体涂层可以高效率地执行这项任务。我们的关键设计原则涉及调整作为热发射器的金属的ε-近零频率(等离子体频率)到半导体电池的电子带隙。这种方法利用金属在其等离子体频率(ε-近零频率)附近的反射率的变化来导致光谱选择性热发射,并且可以适用于使用高温等离子体材料的大面积涂层。我们提供了一个详细的分析的光谱和角度性能的高温等离子体薄膜TPV发射器。我们展示了这种高温等离子体热发射涂层(p-TEC)用于窄带近场热发射的潜力。我们还显示了石墨烯多层热超材料的近表面能密度的增强,这是由于在有效的ε-近零频率处的拓扑转变。这开启了在红外频率范围内来自石墨烯多层的光谱选择性热发射。我们的设计为开发用于光谱选择性辐射传热应用的单层p-TEC和石墨烯多层膜铺平了道路。
2017-02-05 physics.optics
Optoelectronic Analysis of Spectrally Selective Nanophotonic Metafilm Cell for Thermophotovoltaic Energy Conversion
本工作从理论上探讨了一种基于非对称法布里-珀罗谐振腔结构的光谱选择性TPV电池。由于上下银电极之间的GaSb层内部的电磁场增强的干涉效应,所模拟的纳米光子电池结构的光谱特性在带隙以上表现出高吸收峰,而由于金属的高反射率,子带隙吸收低至百分之几。与独立的结构相比,在低于100 nm的GaSb层中,在带隙以上的特定频率处的吸收增强近20倍。此外,一薄层的MoOx被纳入元膜单元结构作为空穴传输层,以考虑在实践中的电荷收集。通过考虑辐射和非辐射复合(Shockley-Reed-Hall和Auger)的严格的光电分析,预测纳米光子电池在1500 K下实现22.8%的TPV效率和0.62 W/cm 2的输出功率,其中黑色发射器归因于光谱增强的带内吸收和低的子带隙吸收。利用在实践中难以实现的理想选择性发射极以及热稳定性问题,通过消除亚带隙光子,效率可以进一步提高到28%。所提出的光谱选择性纳米光子元膜电池可能是实现高效率和低成本TPV能量转换的可行途径。
2020-10-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Selective Preparation of Collective States in Coupled Quantum Emitters Using the SUPER Excitation Scheme
Universität Innsbruck(因斯布鲁克大学)
本文研究了利用SUPER方案在深亚波长距离下确定性制备双量子发射体超辐射和亚辐射态的集体本征态,实现了近单位反转,并讨论了其在固态发射体和分子中的实验实现。
2025-08-27 physics.optics quant-ph
Band-Selective LDOS Engineering of Yb/Er Upconversion: an Electromagnetic-Kinetic Diagnostic Framework
National University of Singapore(新加坡国立大学);Univ. Bordeaux, CNRS, CRPP, UMR 5031(波尔多大学,法国国家科学研究中心,聚合物与材料研究所);Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC)(巴塞罗那材料科学研究所)
该研究构建了带选择性的等离子体上转换平台,通过耦合电磁-动力学框架分析Yb/Er上转换过程,明确了泵浦场与发射侧LDOS的解耦机制,为等离子体上转换架构设计提供了诊断方法。
2026-08-25 cond-mat.soft physics.optics
Universal radiation dynamics by temporal transitions in optical waveguides
研究开放光波导材料属性时间跃迁引发的辐射,通过复频域路径积分渐近分析导出与结构无关的瞬时频率啁啾公式及 t^(-3/2) 场衰减规律,并以 ITO 波导全波仿真验证。
2024-09-17 physics.optics
Quantum-Plasmonic Dynamics Modeled via a Modified Langevin Noise Formalism: Numerical Studies of Single-Photon Emission and Two-Photon Interference
Pohang University of Science and Technology(浦项科技大学);Purdue University(普渡大学)
本文提出了一种改进的Langevin噪声形式,用于建模量子等离子体动力学,展示了在单光子发射和双光子干涉中的应用及非马尔可夫动力学的分析。
2025-12-08 physics.optics quant-ph
Can Copper Nanostructures Sustain High-Quality Plasmons?
银被认为是等离子体材料中的王者,因为与其他金属相比,它在可见光和红外(vis-IR)光谱区域具有低的非弹性吸收。相比之下,铜通常被认为对于等离子体激元应用而言损耗太大。在这里,我们通过实验证明了长铜纳米线(NW)的可见光-红外等离子体,其品质因数超过60的值,由空间分辨,高分辨率电子能量损失谱(EELS)测量确定。我们解释了这个违反直觉的结果,事实上,这些金属线中的等离子体激元的大部分电磁能量都在金属之外,因此,它们对材料中的非弹性损耗不太敏感。我们提出了一个广泛的一组数据上获得的长银和铜纳米线的不同直径的支持这一结论,并进一步让我们了解等离子体激元的辐射和非辐射损失所发挥的相对作用,跨越了广泛的能量下降到$<20\,$毫电子伏。在这样小的等离子体激元能量下,这些模式的热布居变得足够显著,以使得能够观察到与等离子体激元吸收事件相关联的电子能量增益。我们的研究结果支持使用铜作为一个有吸引力的廉价和丰富的材料平台,高品质的等离子体激元在细长的纳米结构。
2020-11-26 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Single-photon interaction between two quantum dots located in different cavities of a weakly coupled double microdisk structure
我们报告了两个单量子点(QD)在一个单独的InP/GaInP基微盘腔通过共振回音壁模式的辐射相互作用。研究基于从头算耦合圆盘模式。我们应用光学光谱学,包括一个$4f$设置,以及模式选择性的真实空间成像和光致发光映射来辨别单个量子点耦合到一个谐振的微盘模式。激发的双腔结构的一个磁盘和检测photoluminescene从其他产量的单光子发射的量子点激发的非相干能量转移从一个磁盘到另一个通过在弱耦合制度的模式的证据。最后,我们提出了一个量子点在一个磁盘中发射的光子,通过共振模式转移到其他磁盘,随后由另一个量子点共振散射的证据。
2017-06-16 physics.optics quant-ph