近日，蔡阳健团队韩张华课题组在《Nature Communications》上发表了题为“Ultra-narrowband and rainbow-free mid-infrared thermal emitters enabled by a flat band design in distorted photonic lattices”的研究论文。8087金沙娱场城为第一完成单位，8087金沙娱场城博士生孙开礼为论文第一作者，蔡阳健教授为第二作者，韩张华教授为通信作者，共同通信作者还包括华东师范大学的黄陆军研究员。
自然产生的热辐射通常是宽带、无定向、非相干和非偏振的。基于不同物理概念的各种人工微纳结构的引入允许灵活调控热发射特性，并大大增强操纵远场电磁辐射的能力。近年来，全介质结构中的准束缚态模式，因其能够实现超窄的共振线宽而被人们广泛关注。基于此，该团队已在理论和实验上连续实现了各种超高时间相干、空间相干热辐射源（Nanophotonics. 10(16): 4035–4043(2021)，Int. Commun. Heat Mass Transfer. 143 106728 (2023)，Phys. Rev. Appl. 20(2), 024033 (2023)，Nano Lett. 24, 764−769 (2024)）。但是这些高品质因子谐振大多嵌入在特定模式的陡峭色散中，导致目前大部分热辐射源都向不同方向辐射不同的波长，也就是彩虹效应。开发无彩虹效应的热辐射器，从而可以结合红外透镜收集来大幅度提升输出功率，且不影响辐射的时间相干性，这是高相干热辐射源走向实用的关键一步。
在本工作中，他们提出通过在大范围波矢内利用一种新颖的平带设计，实现了具有超高时间相干性同时消除彩虹效应的热辐射源。这是通过在高折射率介质圆盘的方形晶格中引入几何扰动从而诱导周期加倍来实现的。由于第一布里渊区减半，导模被折叠到Γ点附近，并与原本存在的导模共振发生强相互作用，通过灵活调控模式之间的耦合强度，形成了一个整体高Q的平带效应。该工作尽管使用了蒸发的非晶材料，但是在实验中仍然展示了5.144 μm输出波长在宽输出角范围内仅23nm线宽的热发射。
与之前具有高相干性但存在彩虹效应的热发射结果相比，该器件可以使用光学透镜收集整个结构面积大角度下同频率的热辐射输出，从而显著增强辐射强度并保持超高的Q因子。此外，非局域超表面中的高Q共振需要大量周期之间的集体相互作用，而与平带设计相关的慢光传播对超表面的尺寸要求较低，从而为实现较小占地面积的高功率窄带集成光源迈向重要一步。
该工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48499-4
