扭转磁性外尔半金属与石墨烯之间漂移电流诱导的可调近场能量转移

图1 二体系统的近场能量转移模型。

1. 导读

外尔半金属中具有巨大反常霍尔效应的非互易表面模式和漂移电流诱导的石墨烯表面非互易光子占据数都为操纵非互易近场能量转移提供了一种很有前景的方法。有趣的是，非互易性之间的相互作用对（热）光子学研究非常重要，但仍然具有挑战性。如何制备出更易控制、更易加工的近场能量转移系统一直是研究的难点。

针对这些问题，湖南大学项元江教授联合湖南师范大学蒋乐勇教授团队近日在Nanophotonics发表最新文章，设计了一种由外尔半金属支撑的石墨烯异质结构和扭转外尔半金属构成的二体近场能量转移系统。在涨落电动力学框架下，从理论上阐述了可以通过动量空间中外尔点分离间距和扭转角度改变非互易表面模式，非互易表面模式和非互易光子占据数之间的相互作用来调控近场能量转移的方向的现象。该方案可为非平衡系统中的近场能量调节提供参考。

2. 研究背景

众所周知，热力学定律并不要求热辐射系统必须满足基尔霍夫定律中提到的发射率等于吸收率，因为这只是洛伦兹互易性的要求。因此，在热力学中，研究人员可以通过打破介电张量的对称性来解开基尔霍夫定律的束缚，这为实现单向传输提供了新的思想理念。

针对互易系统的瓶颈，近几年受到广泛关注的外尔半金属，在打破互易性方面具备自身材料性能上的优势。由于磁性外尔半金属独特的拓扑非平凡电子态和固有的时间反演对称性破缺，动量空间中的外尔节点距离充当有效外加磁场，可以导致大的反常霍尔效应。因此，外尔半金属可以打破洛伦兹互易性，这在控制热辐射方面展现出特别的优势。此外，外尔半金属是在本质上支持非互易表面模式，不需要外加磁场，这为工艺制备提供了极大的便利。在实现单向传输的基础上，如何在不需要特别复杂的材料和器件制备工艺的前提下实现更容易、便捷的控制热流的传输方向成为一个重要问题。但是，到目前为止，大多数调控手段需要构建纳米尺寸的超材料结构来实现各向异性图案，从而限制了目前近场热流控制方案的发展及应用。

3. 创新研究

针对上述挑战，研究人员提出了一个由外尔半金属衬底支撑的石墨烯异质结构和具有扭转角的外尔半金属平板以一定间隙平行放置的结构以实现二体系统间近场能量转移的调控（见图1）。

研究者首先讨论了没有温差和外尔点分离间距为0情况下两块平板之间近场能量转移现象。当外尔半金属材料满足洛伦兹互易性时，传输系数也满足洛伦兹互易性，因此只需要考虑施加漂移电流石墨烯引起的非互易光子占据数对近场能量转移的影响。研究表明，在非互易光子占据数的影响下，石墨烯中正波矢向量在能量转移中起主导作用，导致了正的净热流值，即热流从石墨烯异质结构流向扭转外尔半金属（见图2）。进一步，研究表明了不同漂移速度下真空间隙大小的变化对近场传热系数具有较大影响。此外，石墨烯上的电流漂移速度的降低对传热系数的增加有积极的促进作用。该漂移速度为实现传热系数的动态操控提供了途径。

图2 仅考虑石墨烯非互易光子占据数情况下的近场能量转移

在理清了石墨烯的非互易光子占据数对能量转移的影响后，研究人员进一步讨论没有温差情形下，漂移电流引起的非互易光子占据数和扭转外尔半金属支持的非互易表面模式共同作用下的近场能量转移（见图3）。由于扭转外尔半金属所支持的非互易表面模式会使得光子传输系数对正波矢向量和负波矢向量具有不同的响应，因此扭转外尔半金属在动量空间中的节点分离会对近场热量的转移产生明显影响。研究表明，对于外尔节点的负向分离，非互易表面模式提供正向热流，与非互易光子占据数发生协同作用，二者相互促进近场能量由石墨烯异质结构转移到扭转外尔半金属。对于外尔节点正向分离，非互易表面模式提供负向热流，和非互易光子占据数产生竞争效应，其近场能量的转移方向取决于外尔点分离间距、扭转角等参数的变化。研究揭示了非互易表面模式和非互易光子占据数之间的相互作用能够决定净热流转移的方向。

图3 非互易光子占据数和非互易表面模式共同作用下的近场能量转移。

4. 应用与展望

综上，研究团队研究了扭转外尔半金属和石墨烯之间电流诱导的可调近场能量转移情况。在没有温差的情况下，当扭转外尔半金属的节点分离不存在时，磁性外尔半金属是互易的。此时石墨烯表面漂移电流决定近场能量转移的大小和方向；而当扭转外尔半金属的节点发生分离时，近场能量转移的大小和方向由扭转磁性外尔半金属支持的非互易表面模式和石墨烯中非互易光子占据数共同决定，并且磁性外尔半金属中扭转角的存在也可以调控近场能量转移的方向。进一步，研究团队还讨论、分析了基于非互易表面模式产生感应电流的有趣热电效应。我们相信此工作为单向热辐射以及纳米级热流操控功能器件提供了可借鉴的途径。

该研究成果以“Drift current-induced tunable near-field energy transfer between twist magnetic Weyl semimetals and graphene”为题在线发表在Nanophotonics。