Science：長(zhǎng)春光機(jī)所在熱光子學(xué)領(lǐng)域取得重大突破！
熱輻射是自然界中最重要的能量傳遞方式之一。然而，傳統(tǒng)的黑體輻射因其非定向、非相干、寬光譜、無(wú)偏振等固有特性，致使輻射體與其周圍所有物體均進(jìn)行熱量交換，極大的制約了傳熱效率和熱流操控能力，進(jìn)而限制了其實(shí)際應(yīng)用。 QRFBMq}'
以輻射制冷為例，過(guò)往的輻射制冷器件通常呈現(xiàn)出全向的熱輻射特性，因此僅適用于開(kāi)闊的水平表面（如屋頂），以便最大限度的面向溫度較低的天空，并盡可能的隔絕器件與地面、周圍物體、大氣非透明窗口波段向下輻射等的熱量交換。然而，當(dāng)它們被用于豎直表面（如墻面、衣物、車輛側(cè)面等廣泛實(shí)際場(chǎng)景）時(shí)，器件面向低溫天空的視場(chǎng)角顯著縮小，同時(shí)不得不大量吸收地面（尤其在亟需制冷的夏日，地表溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度）、周圍物體以及大氣非透明窗口波段向下輻射等的熱量，從而導(dǎo)致其亞環(huán)境輻射制冷失效。盡管近年來(lái)一些國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)嘗試調(diào)控?zé)彷椛涞墓庾V或角度，但豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。 j .:I{!R#
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圖1.全向?qū)拵Оl(fā)射器件和角度非對(duì)稱光譜選擇性發(fā)射器件在豎直表面的輻射換熱過(guò)程 DGrk}
據(jù)此，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所李煒研究員團(tuán)隊(duì)與合作者，利用熱光子學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)了熱輻射角度和光譜的跨波段協(xié)同調(diào)控，進(jìn)而設(shè)計(jì)出具有跨尺度對(duì)稱破缺性、角度非對(duì)稱光譜選擇性的定向發(fā)射器件（AS 發(fā)射器件），實(shí)現(xiàn)了豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷。相關(guān)成果以“Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces ”為題發(fā)表于Science，并獲3項(xiàng)授權(quán)專利。 MIx ,#]C&
該工作不僅攻克了豎直表面的日間亞環(huán)境輻射制冷，對(duì)輻射制冷的實(shí)際應(yīng)用具有重大意義；同時(shí)突破了熱輻射角度、光譜的跨波段協(xié)同調(diào)控能力，為熱光子學(xué)操控打開(kāi)了全新局面。該成果是長(zhǎng)春光機(jī)所在Science上刊發(fā)的首篇第一單位文章，也是李煒研究員及其團(tuán)隊(duì)繼今年在Nature發(fā)表“基于光子學(xué)角度/光譜協(xié)同調(diào)控的高維光場(chǎng)信息感知工作”之后的又一突破性工作。該工作歷時(shí)4年，得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目等資助，以及共作者：斯坦福大學(xué)范汕洄教授團(tuán)隊(duì)，紐約城市大學(xué)Andrea Alu教授團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)春光機(jī)所黎大兵研究員團(tuán)隊(duì)、張志宇研究員、田思聰研究員，和北京大學(xué)肖云峰教授的鼎力支持。 FA7q
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該研究指出，由于大氣透過(guò)率隨天頂角增大而減小，對(duì)于豎直表面而言，其法向方向是大氣透過(guò)率最低的方向，導(dǎo)致其極限制冷功率僅為 ~40 W m-2（比水平表面的一半還低）。另一方面，與水平表面相比，豎直表面不僅會(huì)吸收太陽(yáng)的直接照射，還會(huì)吸收來(lái)自地面反射的太陽(yáng)光。這些因素進(jìn)一步對(duì)豎直表面的太陽(yáng)光反射率以及紅外熱輻射的角度及光譜特性提出了更嚴(yán)苛的要求。 6 t!PHA
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圖2.AS發(fā)射器件的設(shè)計(jì) S:YQVj
據(jù)此，該研究從太陽(yáng)反射率、大氣透明窗口內(nèi)的光譜選擇性、熱輻射角度非對(duì)稱特性協(xié)同設(shè)計(jì)，以熱力學(xué)、互易性、波導(dǎo)以及聲子激化共振等理論為基礎(chǔ)，利用跨尺度對(duì)稱破缺結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了熱輻射在空間角度上的非對(duì)稱分布以及在光譜上的選擇性調(diào)控。 HB :VpNFn
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