近日，山西大學理論物理研究所陳君教授(共同通訊作者)與瑞士巴塞爾大學唐高民博士(第一作者，共同通訊作者)，鐳射光譜研究所張磊教授，哈爾濱工業大學張勇副教授，香港科技大學陳子亭講座教授在《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 127, 247401 (2021)]上合作發表了題為《Near-Field Energy Transfer between Graphene and Magneto-Optic Media》的研究論文，文章獲得編輯推薦(PRL Editors’ Suggestion)，在期刊主頁上高亮展示。
眾所周知，有溫度的物體都會向外輻射電磁波。當物體之間的間距遠小於熱輻射波長時，會發生倏逝波光子的近場隧穿效應。由於倏逝波具有更高的能量密度，理論上可以突破普朗克黑體輻射極限，獲得極高的近場能量傳遞效率，在熱光伏、熱能管理等方面有非常重要的應用潛力。近期，非互易性在輻射能量收集方面引起了研究者的廣泛興趣，例如，光子熱霍爾效應、卡西米爾熱機等。
陳君教授及合作者的研究成果表明，在由石墨烯(通電流)和磁光材料(加磁場)構成的兩個平行板之間，即使兩板間沒有溫差(相同電子溫度)，也可以傳遞淨能量，並且其大小和方向可透過電流和磁場來調節。這個等溫板間的熱傳導現象並不違反熱力學第二定律，因為此時系統需要外部媒介維持石墨烯中的電流。石墨烯透過施加電流處於非平衡態，引起非平衡漲落，輻射光子的佔據數變得不再互易，從而導致兩板間的能量傳輸。磁光材料中不加磁場時，能流由石墨烯流向磁光材料。透過對磁光材料施加磁場，破壞時間反演對稱性，產生非互易表面模式可產生雙向能量傳輸。這種方向可調的能量傳輸是由於石墨烯中非互易光子佔據數與磁光材料中的非互易表面模式之間的相互影響而產生。更為重要的是，如果在兩板存在溫差情況下，熱輻射可以在石墨烯中產生可調節的電流。這項研究成果是近場熱輻射領域的一個重要進展，有別於利用半導體結的傳統近場熱光伏電池，為使用非互易性來進行奈米量級的能量和熱能管理提供了新途徑。
上述研究得到國家自然科學基金(12174231, 12074230)等專案的大力支援。（通訊員：山西大學張穎）
