● 摘要
普朗克黑体辐射定律与Stefan-Boltzmann定律在预测间距为纳米尺度的两物体辐射换热时失效，这种现象被称为近场热辐射。特别的，当换热物体表面支持热激发产生的表面等离激元时，近场热辐射会比两黑体间辐射换热高出数个数量级，并且随着两物体间距变小而成二次反比增强。对于近场热辐射的理论、实验研究以及应用在过去十年已经取得了巨大的进展，但是这种研究主要集中在对于简单的各向同性或者各向异性电磁介质的探索，对于复杂电磁介质，比如磁电耦合（手性）介质等的研究，尚没有开展。另外，尽管对于不同材料和不同几何形状的物体的近场热辐射有了很多研究，对于如何控制近场热辐射，也就是纳米尺度热辐射的研究还很少。研究复杂电磁介质近场热辐射的一个重要意义就在于可以提供比简单电磁介质更多的自由度用以控制热辐射传输。本研究将磁电耦合（手性）这种复杂电磁特性引入了近场辐射，推导出了磁电耦合介质间的近场辐射理论。在考虑具体的材料时，本研究考虑了电磁手性超材料，一种具有强烈红外磁电耦合特性的新型材料。这种材料用于近场热辐射优势在于，首先，这是一种人工材料，其内部的基本结构可以通过特定的设计到达本研究预期的电磁性质；其次，这种人工材料可以通过外界的电磁场进行控制，从而实现改变其电磁特性的目的，最终实现纳米尺度热辐射的控制。本研究首先给出了具体推导磁电耦合介质间近场辐射的过程。在推导中，本研究引用了Rytov的涨落电动力学，利用涨落耗散原理和格林函数技术计算了涨落电磁场。然后利用两无限大平板材料为例，推导得出了磁电耦合介质间近场辐射的显示表达式。然后本研究了两个相同的电磁手性超材料间的近场辐射。本研究发现磁电耦合效应在引入近场辐射后可以产生对于近场辐射热流谱以及总的近场辐射热流的强烈的调制作用。本研究还发现了一个不同于表面等离激元作用的新的近场辐射谱峰，这种谱峰在进一步的研究中发现可以为近场热辐射实验提供一种新型的表面间距标定技术。手性电磁超材料的这些特性使得这种材料可以作为近场热光伏转换的良好的热发射端材料。最后本研究根据可控电磁手性超材料的特性，提出了两种用以控制近场辐射热流的方案，近场辐射热流开关和近场辐射热流调制器。其中，近场辐射热流开关可以提供较大的开关比用以截断或者开放热流通路，而近场辐射热调制器可以通过连续的外部控制获得连续的近场辐射热流调节。