在傳統認知中，熱量往往通過接觸傳導、空氣對流或普通熱輻射進行傳遞，而熱輻射長期被認為受“黑體極限”約束。然而，當兩個物體之間的距離縮小到納米尺度時，隱藏在表面的倏逝波會被激活，熱量傳輸能力將暴漲數個數量級。這種被稱為“近場輻射傳熱”的現象，近年來被認為有望改變熱光伏發電、芯片散熱以及紅外探測等領域。不過，過去實驗主要依賴天然材料本身的表面極化激元效應，如何進一步主動調控甚至增強近場熱輻射，一直缺乏真正的實驗驗證。

今日，卡內基梅隆大學Sheng Shen教授團隊與斯坦福大學范汕洄院士（美國工程院、科學院、發明家科學院、人文與科學院四院院士）團隊首次實驗實現了“超材料增強近場輻射傳熱”。研究人員設計了一種由金開口環諧振器（SRR）組成的超材料結構，并將其構筑在氮化硅薄膜之上。實驗結果顯示，相比普通氮化硅結構，這種超材料可將近場熱流提升2至4倍，在部分條件下甚至達到黑體輻射極限的20倍以上。更重要的是，研究團隊進一步揭示：增強來源于超材料中的等離激元模式與氮化硅中的表面聲子極化激元（SPhP）之間發生了強耦合。這意味著，人類首次真正實現了利用人工超材料主動操控納米尺度熱輻射，為未來熱管理和能源轉換技術打開了全新方向。相關成果以“Metamaterial-enhanced near-field radiative heat transfer”為題發表在《Nature》上，Zexiao Wang, Renwen Yu, Hakan Salihoglu為共同第一作者。

團隊首先構建了三種不同的近場傳熱模型，用來比較超材料究竟能帶來多大改變（圖1a）。第一種是最基礎的氮化硅薄膜結構，兩片SiN膜之間隔著納米級真空間隙，熱量主要依賴表面聲子極化激元進行耦合傳輸。第二種則是在SiN膜表面覆蓋金薄板，研究人員原本希望金屬能進一步增強局域場，但結果卻并不理想。第三種才是核心設計：在SiN膜表面構筑由金開口環諧振器組成的超材料陣列，讓局域等離激元模式參與熱輻射過程（圖1a底部）。為了真正測量納米尺度熱流，研究團隊還搭建了一套極其精密的實驗平臺（圖1b）。整個器件由兩塊懸空氮化硅膜組成，中間間隙最小僅250 nm，并通過電子束曝光精確對準超材料結構。左側膜作為“熱發射端”，利用鉑微加熱器升溫；右側膜則通過超長微型熱敏電阻實時監測接收到的熱量。通過這種設計，研究人員能夠直接測量不同結構之間的近場輻射熱流變化。最終實驗結果令人驚訝：在所有間隙條件下，帶有SRR超材料的結構熱流都遠高于普通SiN結構以及金薄板結構（圖1c）。當間隙為730 nm時，熱流提升約4倍；即便在250 nm間隙下，依舊保持約2至3倍增強，相比黑體輻射更是高出約20倍。換句話說，這種人工超材料真的像“熱量加速器”一樣，大幅提升了近場輻射效率。

圖1：研究團隊設計三種近場傳熱結構，并首次實驗實現SRR超材料增強近場熱輻射。

進一步地，研究人員開始研究溫差變化對熱流的影響（圖2）。實驗中，他們固定接收端溫度為300 K，然后逐步提高發射端溫度，使溫差ΔT從0逐漸增加到100 K。結果發現，在不同間隙條件下，SRR超材料器件的熱流都始終明顯高于另外兩種結構，而且隨著溫差增加，熱流近乎線性增長（圖2a-2c）。更加關鍵的是，研究團隊還額外模擬了“只有SRR結構而沒有SiN極化激元”的情況。理論結果顯示，單獨SRR本身雖然能夠產生一定熱輻射增強，但遠遠達不到實驗中觀察到的水平。這意味著，真正的重要機制并不是簡單的金屬共振，而是SRR模式與SiN中的SPhP模式發生了協同耦合。也就是說，這種增強效應本質上來自兩類激元之間的“合作”，而不是單一結構的貢獻。

圖2：不同溫差與不同間隙條件下，SRR超材料器件均表現出遠超普通結構的熱流增強效果。

接下來，研究人員進一步分析了熱流在頻譜中的分布規律（圖3a-3c）。他們發現，在普通SiN結構中，熱流主要集中在約1.8×1014 rad s-1附近，這是典型的SPhP共振頻率。而在純SRR結構中，則出現了兩個典型峰值，代表SRR之間發生模式耦合。但真正有趣的是SRR+SiN復合結構。研究人員發現，在這種結構中，頻譜變得復雜許多，出現了兩組新的增強峰。理論分析表明，這是因為SRR等離激元與SPhP模式發生混合，形成了新的“雜化模式”。這些新模式不僅增強了局域電磁場，還擴大了熱能吸收范圍，因此顯著提高了整體熱流。

為了更直觀理解熱量到底“流”向哪里，團隊還計算了不同結構中的吸收功率分布（圖3d-3f）。普通SiN結構中，熱量主要分布在薄膜邊緣；金板結構中，熱量甚至更加局限于邊界區域，因此整體傳熱反而下降。而在SRR超材料結構中，熱量則廣泛分布于整個開口環區域，并深入擴展到SiN薄膜內部。這說明超材料不僅增強了局域場，還真正擴大了熱輻射參與區域，因此最終實現整體熱流提升。

圖3：理論頻譜分析揭示，熱流增強來源于SRR等離激元與SiN表面聲子極化激元之間的強耦合

那么，SRR與SPhP之間究竟是如何耦合的？為了解答這個問題，研究團隊繼續開展了局域態密度（LDOS）模擬以及nano-FTIR近場紅外實驗（圖4）。在理論模擬中，研究人員首先單獨研究SRR結構。他們發現，隨著開口環長度增加，SRR本征共振頻率不斷紅移（圖4a頂部）。而單獨的SiN薄膜則始終保持固定的SPhP共振頻率（圖4a中部）。但當SRR放置到SiN膜表面后，原本獨立的兩個共振模式突然“分裂”為兩條新的雜化分支（圖4a底部）。這種典型的“反交叉”現象，正是強耦合形成的標志。隨后，研究團隊利用nano-FTIR技術直接對單個SRR結構進行了紅外近場測量（圖4b）。實驗中，他們逐步改變SRR長度，從1000 nm增加到2200 nm，并測量其局域紅外響應（圖4c）。結果發現，實驗獲得的峰位變化與理論預測高度一致：隨著SRR尺寸變化，兩個雜化峰不斷靠近又分離，清晰展示出SRR模式與SPhP模式之間的強相互作用（圖4d）。

圖4：通過LDOS模擬與nano-FTIR實驗，研究人員直接觀察到SRR與SPhP形成雜化模式的過程。

小結

總體來看，這項工作首次完成了“超材料增強近場輻射傳熱”的實驗驗證，不僅證明人工超結構能夠顯著提升納米尺度熱流，更揭示了等離激元與表面聲子極化激元之間強耦合的核心機制。這意味著，人類終于可以像設計光學器件那樣，主動設計和編程熱輻射行為。未來，這一方向有望廣泛應用于熱光伏發電、芯片散熱、紅外探測、熱管理乃至輻射制冷等領域，為能源與信息技術帶來全新的底層能力。