摘要
近场辐射传热（NFRHT）作为一种超越黑体辐射极限的热输运机制，在热管理和能量收集方面具有广阔应用前景。当前调控NFRHT的策略主要分别关注打破时间反演对称性和空间对称性，而对其协同调控的关注相对较少。在此背景下，我们提出了一种基于漂移偏置石墨烯超表面与表面覆盖无源石墨烯超表面的磁性Weyl半金属衬底之间的NFRHT调控新方案。该方案首先对上石墨烯超表面施加漂移电流，以引入非互易光子占据数，并使其与下磁性WSMs的非互易表面模式耦合；同时，在上石墨烯超表面中引入扭转角，从而实现对时间反演对称性和空间对称性的协同调控。我们证明，即使两种结构处于相同温度，上石墨烯超表面中的漂移电流也会产生非平衡涨落，从而实现显著的净热流传输。净热流方向可通过两种方式有效操控：控制扭转角，以及控制动量空间中Weyl节点分离的大小和方向，从而使系统从加热态切换到冷却态。该工作为在单一系统中实现高效且可调的NFRHT提供了一条参考途径，对热管理、能量转换和热控制器件具有重要意义。
本文亮点
1.两结构温度相同时，仅靠上层石墨烯的漂移电流引入非互易光子占据数，即可产生显著净热流，不再依赖温差。
2.WSMs的非互易表面模式与石墨烯的非互易光子占据共同作用，调节节点间距的大小与方向，可实现加热与冷却状态的切换。
3.仅旋转上层结构即可使热流换向，且图案化结构比石墨烯薄膜幅值更大、换向角更小。
研究背景
近场辐射热传递（NFRHT）源于倏逝波的光子隧穿，其热流可超越黑体辐射极限数个量级，在热管理、非接触制冷、热整流和热光伏等领域具有广阔应用前景。现有的调控手段主要包括相变材料、外加电场和磁场等，而打破互易性被认为是实现热流方向选择性控制的重要途径：漂移偏置石墨烯可通过载流子动量分布的整体偏移打破时间反演对称性，磁性外尔半金属（WSMs）则无需外磁场即可凭借外尔节点分离产生强非互易性。然而，目前的调控策略多集中于单独打破时间反演对称性或空间对称性，两者的协同调控关注较少，且空间对称性的破缺往往依赖复杂的材料工程。此外，传统热开关依赖外部温度偏置。因此，如何在不依赖温差和复杂材料工程的前提下，协同调控两种对称性，实现热流方向的主动切换，仍是亟待解决的科学问题。
针对上述问题，本课题组研究了漂移偏置石墨烯超表面与覆盖被动石墨烯超表面的磁性WSMs衬底之间的近场辐射热传递。在上层石墨烯施加漂移电流以引入非互易光子占据数，使其与WSMs的非互易表面模式相耦合，同时引入扭转角，实现了时间反演对称性与空间对称性的协同调控。研究表明：通过调控外尔节点间距的大小与方向，或仅旋转上层结构，热流方向均可在加热与冷却状态之间切换，且图案化超表面相比石墨烯薄膜具有更强的热流幅值和更小的换向角。该研究为近场热流方向的等温非平衡调控提供了新途径，对热管理与能量转换具有参考价值。
图文导读
为了在等温条件下实现热流方向的主动调控，我们构建了”漂移偏置石墨烯超表面—覆盖被动石墨烯超表面的磁性WSMs”的双体系统。上层石墨烯中的漂移电流通过多普勒频移引入非互易光子占据数，打破时间反演对称性；下层磁性WSMs因外尔节点分离而具有天然的非互易表面模式；再通过上层结构的面内旋转引入扭转角，调控空间对称性。两种非互易性的耦合，使得热流方向可在加热（上层→WSMs）与冷却（WSMs→上层）之间切换。
图1. (a) NFRHT示意图。上层为温度为T₁的石墨烯超表面，沿y轴施加漂移电流。下层为温度为T₂的WSMs衬底，其上覆盖无源石墨烯超表面。扭转角θ定义为上层石墨烯超表面相对于下层石墨烯超表面/WSMs结构绕z轴逆时针旋转的角度。(b) WSMs中Weyl节点沿正x轴分离的示意图。(c) 非平衡漂移条件下的近场加热与冷却。
我们首先考察了外尔节点未分离（b = 0）、两结构同为300 K的情形。此时WSMs表面模式关于正、负波矢对称、满足互易性，非互易性仅来自石墨烯的漂移电流。图2显示，即使没有温差，漂移电流也能驱动显著的净热流，其方向由ky > 0区域主导，表现为净加热；热流随间距增大而减小，随漂移速度增大而增强。这说明漂移电流本身就是产生等温净热流的”驱动源”。
图2. (a) WSMs的表面色散曲线。体等离激元极化激元由绿色区域表示，SPPs由红线表示，黑线为空气中的线性色散关系。(b) 不同漂移速度下热通量随真空间隙d的变化。(c) SHF曲线和(d)能量透射函数B。
接着我们引入了外尔节点分离。b的出现使介电张量产生与b成正比的非对角项，WSMs的表面色散变得不对称，两个传播方向的损耗不同。由于漂移引起的光子占据不对称并不随b反转，两种不对称性相互竞争，热流随b呈非单调变化：b取负值时两者协同，热流增强并出现正的极大值；b取正值并增大时，热流减小并越过零点变为负值，出现极小值。因此仅靠改变b的大小与方向，就能实现加热与冷却的切换。
图3. (a) 辐射热通量Q随Weyl节点分离距离b的变化。(b) b = 2 × 10⁹ m⁻¹时WSMs的表面色散曲线。
为揭示能量方向转换的物理来源，我们分析了不同b下的能量透射函数与光谱热流。在某一中间b值，低频区− ky方向的冷却贡献与高频区+ky方向的加热贡献相互抵消，净热流接近零；当b为负时，WSMs表面模式与石墨烯光子占据在+ky方向协同，只有正向传输通道被增强，表现为加热；当b为正且足够大时，−ky方向的传输占主导，表现为冷却。可见，净热流方向取决于两种非互易性在正、负波矢区域的相对贡献。
图4. 经 kₓ 积分的能量透射函数 B 随 ω 和 kᵧ 的分布，以及特定 Weyl 节点分离距离 b 下的 SHF 曲线。(a, b) b = 0.92 × 10⁹ m⁻¹。(c, d) b = −3.37 × 10⁹ m⁻¹。(e, f) b = 4.59 × 10⁹ m⁻¹。
最后固定b，仅旋转上层超表面。随着θ从0°增至180°，热流由负连续变为正，并在约79°附近过零，实现不改变温度、漂移速度和b的几何换向。其机理在于：旋转改变了上下层表面等离激元的模式匹配，同时重新分配了漂移引起的光子占据；在79°时正、负两个传输通道幅值相当而相互抵消，在0°与180°时则分别由负、正ky通道主导。与石墨烯连续薄膜相比，图案化超表面的面内各向异性使热流幅值更大、换向角更小，说明图案化虽不是换向的根源，却能显著增强并优化这种调控。
图5. (a) 热通量 Q 作为漂移电流面内旋转角 θ 的函数。黑色曲线：石墨烯片/石墨烯片/WSM 结构，其中上层片固定，仅旋转漂移电流。红色曲线：石墨烯超表面/石墨烯超表面/WSM 结构，其中上层超表面和漂移电流一起旋转。两种情况下下层结构均固定。(b)、(d) 和 (f) 分别表示 θ = 79°、0° 和 180° 时的能量透射函数 B；(c)、(e) 和 (g) 表示相应的 SHF。此处 b = 5 × 10⁹ m⁻¹。
结论
总之，我们研究了漂移偏置石墨烯超表面与覆盖无源石墨烯超表面的磁性WSMs之间的NFRHT。通过向上石墨烯超表面施加漂移电流以引入非互易光子占据，并结合下磁性WSMs中的非互易表面模式，我们实现了对时间反演对称性和空间对称性的协同调控。结果表明，即使在零温差条件下，也会发生显著的净热流传输。通过调节动量空间中Weyl节点分离的大小和方向，系统可在加热态和冷却态之间切换，实现最大正净辐射热通量和最小负净辐射热通量分别为2789和−2719 W m⁻²。对能量透射函数的分析表明，非互易表面模式对正、负波矢方向产生不对称阻尼，这与非互易光子占据共同决定了净热流传输方向。此外，上层漂移偏置石墨烯超表面的面内旋转提供了一种几何手段，可在不改变Weyl节点分离距离的情况下切换净辐射能量传递方向。这种旋转诱导的热流切换源于各向异性表面等离激元极化激元的方向选择性耦合和部分解耦，以及随旋转角变化的漂移诱导非平衡光子占据重分布。该方案无需复杂的材料工程，仅通过调制扭转角和Weyl节点分离距离即可实现高效调控，从而为热管理器件、热电转换和能量收集中的应用提供了理论基础。
论文信息
Bosen Chen, Ning Guo, Leyong Jiang, Xiaohu Wu. Near-Field Heating and Cooling Between Drift-Biased and Passive Graphene Metasurfaces on Magnetic Weyl Semimetals Substrate. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. DOI: 10.1109/JSTQE.2026.3749935
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