哈尔滨工业大学联合海南大学、美国得克萨斯农工大学Physical Review B：节点环半金属中的辐射传热

转自 两江科技评论

导读 

近日，哈尔滨工业大学联合海南大学、美国得克萨斯农工大学的研究人员在拓扑材料近场辐射传热领域取得新进展。研究团队结合拓扑能带理论与涨落电动力学，揭示了节点环电子态对热辐射光谱及能量传输的调控机制。研究发现，电子能带由节点型向节点环型演化时，近场热辐射发生显著的光谱蓝移与传热抑制，并表现出增强的温度敏感性。在此基础上，研究进一步提出了热开关、热整流和热流稳定等功能器件的理论设计方案。相关成果以“Radiative heat transfer in topological nodal-ring semimetals”为题，发表于《Physical Review B》，并被选为编辑推荐文章（Editors’ Suggestion）。论文第一作者为哈尔滨工业大学周承隆副研究员，易红亮教授和海南大学和美国得克萨斯农工大学的Ashutosh Singh教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金及博士后科研项目等支持。

研究背景

热辐射是物体通过电磁波交换能量的重要方式，在纳米尺度热管理、热光伏转换及非接触热调控等领域具有重要应用价值。当物体间距减小至亚波长尺度时，倏逝电磁场能够通过近场耦合显著增强能量传输。如何利用材料的微观电子结构调节热辐射的强度、光谱分布及温度响应，是发展新型辐射热管理器件的重要科学问题。拓扑节点环半金属（nodal-ring semimetals, NRSMs）是一类具有特殊电子能带结构的量子材料。不同于能带在离散动量点发生交叉的外尔或狄拉克半金属，节点环半金属的能带交叉点在动量空间中形成闭合环状结构。这种非平庸拓扑结构能够产生独特的电子激发与光学响应，但其对热辐射过程的影响仍缺乏系统认识。为此，研究团队从节点环半金属的有效哈密顿量出发，结合Kubo线性响应理论与涨落电动力学，建立电子能带拓扑与近场辐射传热之间的联系，系统揭示节点环电子态对热辐射的调控规律及其潜在应用。

图1 拓扑电子态与近场辐射换热。(a)、(b)节点型与节点环型电子态及其辐射响应示意图；(c）辐射换热系数随能带参数变化；(d)不同节点环参数下的温度幂律指数。

研究亮点

1. 揭示节点环拓扑诱导的辐射传热抑制与光谱蓝移

研究团队首先建立了由两个半无限大节点环半金属组成的近场辐射换热模型，通过调节能带参数Δ，研究电子态由节点型向节点环型演化时的热辐射响应。理论结果表明，随着节点环逐渐形成，辐射换热系数显著下降。在300 K、10 nm真空间隙条件下，辐射换热系数由22.3 kW m^-2K^-1降低至7.09 kW m^-2K^-1，降幅约68%。与此同时，热辐射光谱由强烈的窄带响应逐渐转变为较弱的宽带分布。当Δ/t增大至0.2时，光谱峰值强度降低至节点型体系的约30%。此外，随着Δ/t由0.05增大至0.2，辐射光谱特征频率由0.068 eV/ℏ蓝移至0.134 eV/ℏ。这些结果表明，电子能带拓扑能够同时调控近场热辐射的传热强度与光谱分布。

图2 不同能带参数下的近场辐射光谱。随着节点环形成，光谱峰值逐渐降低并向高频方向移动；插图展示对应的电子能带结构。

2. 阐明带内跃迁主导的热辐射重构机制

为揭示热辐射变化的微观来源，研究团队进一步分析了电子态密度、带内与带间跃迁以及热光子隧穿概率。计算结果表明，节点环半金属的近场辐射换热主要由带内跃迁贡献，其光谱换热系数比带间跃迁高出一个数量级以上。在节点型体系中，强烈的带内激发能够在高波矢区域产生显著的热光子隧穿增强，形成高强度窄带辐射峰。随着节点环形成，高波矢区域的强隧穿特征逐渐消失，热光子隧穿响应向较低波矢区域收缩，同时向高频方向移动。由于高频热激发受到热占据限制，辐射传热随之减弱。这一结果揭示了节点环电子态通过重构带内激发与热光子隧穿过程调控近场热辐射的物理机制。

图3 节点环拓扑对热辐射的微观调控机制。(a)电子态密度；(b)带内和带间跃迁的贡献；(c)-(f)不同能带参数下的热光子隧穿概率分布。

3. 揭示节点环电子态增强的热辐射温度敏感性

研究团队进一步考察了温度对热辐射光谱的影响。结果显示，随着温度升高，节点型电子态主要表现为辐射峰强度增强，而光谱带宽基本保持不变；相比之下，节点环电子态的光谱峰值与带宽均显著增加，并伴随光谱蓝移。进一步分析表明，节点环电子态的带内跃迁对温度变化更加敏感，使其辐射换热系数呈现不同于传统黑体辐射的温度依赖规律。随着节点环参数增大，有效温度幂律指数明显提高。这种可调节的温度响应为设计具有非线性热流特征的辐射热管理器件提供了物理基础。

图4 不同电子态的热辐射温度响应。(a)、(b)节点型和节点环型体系随温度变化的辐射光谱；(c)带内及带间跃迁的温度依赖特征。

4. 提出基于拓扑电子态的多功能辐射热管理方案

基于节点环电子态对热辐射强度及温度响应的调控作用，研究团队进一步探索了热开关、热整流和热流稳定三类功能器件。通过调节载流子掺杂水平，理论计算得到的热开关比最高约为95%。利用不同节点环参数所对应的温度响应差异，在10 nm真空间隙条件下，最大热整流比达到约0.71。此外，通过合理匹配发射端与接收端的电子态参数，当一侧温度在200—400 K范围内变化时，归一化热流波动仅为0.87%，表现出良好的热流稳定特性。这些结果表明，节点环电子态不仅能够调节热辐射光谱，还可为热流的开关、定向传输与稳定控制提供新的设计途径。

图5 基于拓扑节点环半金属的辐射热管理器件。(a)双端热流调控系统；(b)热开关响应；(c)正反向温度偏置下的热整流特性；(d)不同真空间隙下的热流稳定行为。

总结与展望

该工作建立了拓扑电子能带结构与近场辐射传热之间的理论联系，揭示了节点环电子态通过调控带内跃迁与热光子隧穿过程，引起热辐射光谱蓝移、传热抑制及温度敏感性增强的物理机制。研究不仅明确了非平庸电子态对辐射能量传输的影响，还提出利用拓扑电子态构建热开关、热整流和热流稳定器件的新思路。

这一成果将拓扑材料的研究视角由传统电学与光学响应进一步拓展至热辐射调控领域，为通过电子能带工程实现非接触热流控制提供了新的理论依据。同时，热辐射光谱所呈现的拓扑特征也为探测材料内部电子结构提供了潜在途径。未来，结合组分、应变及载流子调控，有望进一步探索拓扑电子态在纳米尺度热管理和能量转换器件中的实际应用。

论文信息：

C. L. Zhou, J. Y. Chu, X. Q. Sun, Y. Zhang, H. L. Yi, and A. Singh, Radiative heat transfer in topological nodal-ring semimetals, Phys. Rev. B 114, 235130 (2026). ( Editors’ Suggestion)

DOI: https://doi.org/10.1103/c3dq-blzj