我国学者在热光子学领域取得新进展

　　

图 全向宽带发射器件和角度非对称光谱选择性发射器件在竖直表面的（A）辐射换热过程以及（B）角度和光谱发射率分布

　　在国家自然科学基金项目（批准号：62134009，62121005）等资助下，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所李炜研究员团队及其合作者在热光子学领域取得新进展。研究团队利用热光子学手段，成功实现了热辐射角度和光谱的跨波段协同调控，并设计出具有跨尺度对称破缺性、角度非对称光谱选择性的定向发射器件，在国际上首次实现了竖直表面的日间亚环境辐射制冷。相关成果以“竖直表面的日间亚环境辐射制冷（Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces）”为题发表在《科学》（Science）杂志上，论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn2524。并且该成果获3项授权专利。

　　热辐射是自然界中最重要的能量传递方式之一。然而，传统的黑体辐射因其非定向、非相干、宽光谱、无偏振等固有特性，导致辐射体与其周围所有物体均进行热量交换，极大限制了传热效率和热流操控能力，从而制约了其实际应用。特别是在辐射制冷领域，传统辐射制冷器件通常表现出全向的热辐射特性，因此仅适用于开阔的水平表面（如屋顶）。然而，当这些器件用于竖直表面（如墙面、衣物、车辆侧面等实际场景）时，器件面向低温天空的视场角显著缩小，同时会大量吸收来自地面、周围物体及大气非透明窗口波段向下辐射的热量，导致其亚环境辐射制冷功能失效。尽管近年来一些国际研究团队尝试调控热辐射的光谱或角度，竖直表面的日间亚环境辐射制冷仍然面临巨大挑战。

　　研究团队以热力学、互易性、波导以及声子激化共振等理论为基础，利用跨尺度对称破缺结构，实现了热辐射在空间角度上的非对称分布以及在光谱上的选择性调控，攻克了竖直表面的日间亚环境辐射制冷难题（图）。这一技术突破了传统辐射制冷器件仅能在水平表面工作的局限，实现了辐射制冷技术从平面应用向实际三维场景的跨维度飞跃，为辐射制冷技术在节能减排等领域的广泛应用奠定了重要基础。此外，该团队提出的设计策略突破了热辐射角度与光谱跨波段协同调控能力，打破了传统黑体辐射在传热效率和热流操控能力上的限制，为热光子学操控打开了全新局面。同时，该成果为高效、精准地调控热流和信息开辟了新机遇，有望在高效能量利用、新型储能以及在空间光学系统中的高精度热控等国家重大需求方面发挥作用。