在传统认知中，热量往往通过接触传导、空气对流或普通热辐射进行传递，而热辐射长期被认为受“黑体极限”约束。然而，当两个物体之间的距离缩小到纳米尺度时，隐藏在表面的倏逝波会被激活，热量传输能力将暴涨数个数量级。这种被称为“近场辐射传热”的现象，近年来被认为有望改变热光伏发电、芯片散热以及红外探测等领域。不过，过去实验主要依赖天然材料本身的表面极化激元效应，如何进一步主动调控甚至增强近场热辐射，一直缺乏真正的实验验证。
今日，卡内基梅隆大学Sheng Shen教授团队与斯坦福大学范汕洄院士（美国工程院、科学院、发明家科学院、人文与科学院四院院士）团队首次实验实现了“超材料增强近场辐射传热”。研究人员设计了一种由金开口环谐振器（SRR）组成的超材料结构，并将其构筑在氮化硅薄膜之上。实验结果显示，相比普通氮化硅结构，这种超材料可将近场热流提升2至4倍，在部分条件下甚至达到黑体辐射极限的20倍以上。更重要的是，研究团队进一步揭示：增强来源于超材料中的等离激元模式与氮化硅中的表面声子极化激元（SPhP）之间发生了强耦合。这意味着，人类首次真正实现了利用人工超材料主动操控纳米尺度热辐射，为未来热管理和能源转换技术打开了全新方向。相关成果以“Metamaterial-enhanced near-field radiative heat transfer”为题发表在《Nature》上，Zexiao Wang, Renwen Yu, Hakan Salihoglu为共同第一作者。
团队首先构建了三种不同的近场传热模型，用来比较超材料究竟能带来多大改变（图1a）。第一种是最基础的氮化硅薄膜结构，两片SiN膜之间隔着纳米级真空间隙，热量主要依赖表面声子极化激元进行耦合传输。第二种则是在SiN膜表面覆盖金薄板，研究人员原本希望金属能进一步增强局域场，但结果却并不理想。第三种才是核心设计：在SiN膜表面构筑由金开口环谐振器组成的超材料阵列，让局域等离激元模式参与热辐射过程（图1a底部）。为了真正测量纳米尺度热流，研究团队还搭建了一套极其精密的实验平台（图1b）。整个器件由两块悬空氮化硅膜组成，中间间隙最小仅250 nm，并通过电子束曝光精确对准超材料结构。左侧膜作为“热发射端”，利用铂微加热器升温；右侧膜则通过超长微型热敏电阻实时监测接收到的热量。通过这种设计，研究人员能够直接测量不同结构之间的近场辐射热流变化。最终实验结果令人惊讶：在所有间隙条件下，带有SRR超材料的结构热流都远高于普通SiN结构以及金薄板结构（图1c）。当间隙为730 nm时，热流提升约4倍；即便在250 nm间隙下，依旧保持约2至3倍增强，相比黑体辐射更是高出约20倍。换句话说，这种人工超材料真的像“热量加速器”一样，大幅提升了近场辐射效率。
图1：研究团队设计三种近场传热结构，并首次实验实现SRR超材料增强近场热辐射。
进一步地，研究人员开始研究温差变化对热流的影响（图2）。实验中，他们固定接收端温度为300 K，然后逐步提高发射端温度，使温差ΔT从0逐渐增加到100 K。结果发现，在不同间隙条件下，SRR超材料器件的热流都始终明显高于另外两种结构，而且随着温差增加，热流近乎线性增长（图2a-2c）。更加关键的是，研究团队还额外模拟了“只有SRR结构而没有SiN极化激元”的情况。理论结果显示，单独SRR本身虽然能够产生一定热辐射增强，但远远达不到实验中观察到的水平。这意味着，真正的重要机制并不是简单的金属共振，而是SRR模式与SiN中的SPhP模式发生了协同耦合。也就是说，这种增强效应本质上来自两类激元之间的“合作”，而不是单一结构的贡献。
图2：不同温差与不同间隙条件下，SRR超材料器件均表现出远超普通结构的热流增强效果。
接下来，研究人员进一步分析了热流在频谱中的分布规律（图3a-3c）。他们发现，在普通SiN结构中，热流主要集中在约1.8×1014 rad s-1附近，这是典型的SPhP共振频率。而在纯SRR结构中，则出现了两个典型峰值，代表SRR之间发生模式耦合。但真正有趣的是SRR+SiN复合结构。研究人员发现，在这种结构中，频谱变得复杂许多，出现了两组新的增强峰。理论分析表明，这是因为SRR等离激元与SPhP模式发生混合，形成了新的“杂化模式”。这些新模式不仅增强了局域电磁场，还扩大了热能吸收范围，因此显著提高了整体热流。
为了更直观理解热量到底“流”向哪里，团队还计算了不同结构中的吸收功率分布（图3d-3f）。普通SiN结构中，热量主要分布在薄膜边缘；金板结构中，热量甚至更加局限于边界区域，因此整体传热反而下降。而在SRR超材料结构中，热量则广泛分布于整个开口环区域，并深入扩展到SiN薄膜内部。这说明超材料不仅增强了局域场，还真正扩大了热辐射参与区域，因此最终实现整体热流提升。
图3：理论频谱分析揭示，热流增强来源于SRR等离激元与SiN表面声子极化激元之间的强耦合
那么，SRR与SPhP之间究竟是如何耦合的？为了解答这个问题，研究团队继续开展了局域态密度（LDOS）模拟以及nano-FTIR近场红外实验（图4）。在理论模拟中，研究人员首先单独研究SRR结构。他们发现，随着开口环长度增加，SRR本征共振频率不断红移（图4a顶部）。而单独的SiN薄膜则始终保持固定的SPhP共振频率（图4a中部）。但当SRR放置到SiN膜表面后，原本独立的两个共振模式突然“分裂”为两条新的杂化分支（图4a底部）。这种典型的“反交叉”现象，正是强耦合形成的标志。随后，研究团队利用nano-FTIR技术直接对单个SRR结构进行了红外近场测量（图4b）。实验中，他们逐步改变SRR长度，从1000 nm增加到2200 nm，并测量其局域红外响应（图4c）。结果发现，实验获得的峰位变化与理论预测高度一致：随着SRR尺寸变化，两个杂化峰不断靠近又分离，清晰展示出SRR模式与SPhP模式之间的强相互作用（图4d）。
图4：通过LDOS模拟与nano-FTIR实验，研究人员直接观察到SRR与SPhP形成杂化模式的过程。
小结
总体来看，这项工作首次完成了“超材料增强近场辐射传热”的实验验证，不仅证明人工超结构能够显著提升纳米尺度热流，更揭示了等离激元与表面声子极化激元之间强耦合的核心机制。这意味着，人类终于可以像设计光学器件那样，主动设计和编程热辐射行为。未来，这一方向有望广泛应用于热光伏发电、芯片散热、红外探测、热管理乃至辐射制冷等领域，为能源与信息技术带来全新的底层能力。
热门跟贴