具有磁光效应的微纳粒子辐射特性及其粒子系热辐射传输机理

Magneto-optical effect generally refers to the special optical and radiative phenomena due to the nonreciprocal anisotropy in the dielectric function and permittivity of the materials induced by an external static magnetic field. The magneto-optical effect has great potential applications for the regulation of the radiative properties and radiation transfer and for the enhancement of the utilization efficiency of radiation energy. As to the micro/nanoparticles that are widely used in energy utilization and conversion, some novel phenomena in thermal radiation emerge under the magneto-optical effect. However, the magneto-optical effects on the radiative properties and radiative heat transfer in micro/nanoparticle system are still unclear, which severely limit the magneto-optical regulation of the thermal radiation of micro/nanoparticle system. This project will systematically investigate the radiative properties of magneto-optical micro/nanoparticles, elucidate the interaction mechanism between the magneto-optical effect and the resonances of the particles, investigate the influences of magneto-optical effect on the multiple scattering and near-field effects among particles, and finally reveal the mechanism of the radiative heat transfer in particle systems under magneto-optical effect. This project aims to explore the novel phenomena and principles in the radiation problems of micro/nanoparticles under the magneto-optical effect. Meanwhile, this project will lay foundation for the active magneto-optical regulation of the radiative properties and radiative heat transfer in micro/nanoparticle systems.

磁光效应泛指在外部静磁场作用下，由于材料介电函数和磁导率变为非互易各向异性形式而产生的特殊光学和热辐射现象，在微纳结构辐射特性和辐射传输的调控、提高辐射能量利用效率等方面具有很大的应用潜力。对于在能源利用与转换领域广泛研究的微纳粒子，在磁光效应下呈现出一些新颖的热辐射现象。然而磁光效应对微纳粒子系辐射特性和辐射传输的作用机理目前尚不清晰，严重制约了磁光效应在微纳粒子系热辐射调控中的应用。本项目将系统研究磁光微纳粒子的辐射特性，探明磁光效应与粒子共振效应的相互作用关系，研究磁光效应对粒子间多次散射和近场效应的影响规律，揭示磁光效应下微纳粒子系的热辐射传输机理。本项目将探索磁光效应下微纳粒子热辐射问题中的新现象、新规律，同时为利用磁光效应实现粒子系辐射特性和辐射传输的主动调控奠定基础。

外加磁场时，一些材料的介电函数变为非互易张量形式，相关光学、热辐射过程表现出非互易性等一些特殊的现象，统称为磁光效应。具有磁光效应的微纳结构，在其光学性质和热辐射传输方面表现出诸多新颖的物理机理，在光/热辐射传输和调控方面具有新的应用前景。本研究围绕磁光效应下微纳米粒子体系中的热辐射传输机理，开展并完成了以下研究工作：(1)系统研究了磁光作用下随机纳米粒子团簇的电磁散射和热发射过程磁光效应的作用机理，研究了热发射、电磁散射的圆偏振特性和非互易性； (2) 借助于本征模式分析法研究了磁光纳米粒子体系的热化（动态辐射传热）过程，通过分析不同辐射换热模式，揭示了磁光效应对纳米粒子体系热化过程中扮演的角色和作用，明晰了深层次的物理机制；(3) 预测了自旋方向耦合诱导的纳米粒子非互易近场和远场热辐射现象，为设计非互易辐射器、调控辐射热流方向提供了新的思路和方法；(4) 发展了计算吸收性背景介质中任意粒子电磁散射的离散偶极子近似方法，为计算包括磁光材料在内的复杂粒子辐射特性提供了可行的计算方法。本研究工作揭示了磁光效应下新的热辐射物理机制，预测了新的热辐射物理机制，同时产生了相关计算方法。