基于cBN所揭示的热辐射同位素效应的基本机理,即同位素声子频移和展宽效应,研究人员进一步以氢化锂(氢同位素:氕、氘、氚)为研究对象,发现将通过将氚元素替换为氕元素,氢化锂之间的辐射传热系数可增强7260倍。这是因为氢化锂中同位素组成变化带来的相对分子质量变化更大,导致相对光学声子频移更为显著,因而两侧SPhP尖峰的匹配和失配效果更加突出。
极性介电体之外,研究人员还发现金属和半导体等支持表面等离极化激元(SPP)的材料之间,热辐射的同位素效应非常小,只有10-4量级。这主要源于三个因素:1)金属和半导体的等离子体频率随同位素比例的变化非常小,2)材料阻尼系数很大,3)表面等离极化激元在常温下很难实现热激发。这些都导致SPP峰随同位素变化的匹配和失配小到几乎可以忽略。最后,研究人员系统展示了热辐射的同位素效应随光学声子频移、阻尼系数以及温度等参数的变化规律。
基于上述系统理论研究,宋柏课题组还进一步探究了同位素效应在热辐射器件中的应用前景。比如,通过同位素工程,近场辐射热二极管的热整流比可增大超过六倍。同位素工程带来的性能提升在非常宽阔的材料和几何参数范围内都十分显著,具有技术潜力。研究成果以“Isotope engineering of near-field radiative thermal diodes”为题,发表于传热传质学顶级期刊《International Journal of Heat and Mass Transfer》。
宋柏课题组这一系列研究成果在热辐射、声子动力学和同位素效应等领域之间建立了桥梁,揭示了重要的物理机制,开启了热辐射的同位素效应这一新的研究方向;既有助于更好地理解热辐射的基本规律,也为热辐射的高效调控提供了新方法,有望用于高效的热能转化、热管理和太空探索等。
两篇论文的第一作者均为北京大学工学院2020级博士生谢蓝依,通讯作者为宋柏研究员。感谢国家自然科学基金委面上项目和新基石科学基金会“科学探索奖”的大力支持。
《Physical Review B》全文链接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.107.134308
《Science》亮点报道链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi8565
《International Journal of Heat and Mass Transfer》
全文链接:https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0017931023005239
文章来源:北京大学
宋柏研究员现就职于北京大学工学院能源与资源工程系、先进制造与机器人系、能源研究院、微米/纳米加工技术国家级重点实验室,以及北京市工程科学与新兴技术高精尖创新中心。他于清华大学获得学士和硕士学位,美国密歇根大学获得博士学位,麻省理工学院完成博后工作。在基础理论、实验平台和先进材料方面都取得突破,并有望在能源、信息和生医等领域产生颠覆性技术。近年来有四篇论文发表于Science和Nature,六篇在Nature Nanotechnology等子刊发表。2020年于前沿交叉领域获得腾讯基金会第二届“科学探索奖”。