近日，新加坡国立大学（NUS）鲁俊课题组的AMR观点文章“Structured Photon Emission of Blackbody Radiation”在线发表。文章深入探讨了利用黑体辐射（Blackbody Radiation，BBR）产生结构化光子的新兴策略，总结了通过微纳结构设计打破传统热辐射时空相干性限制的最新进展，并展望了其在热光伏、辐射制冷、生物热光子学及可穿戴智能织物等领域的广阔应用前景。

关键词：结构化光子、黑体辐射、热光子学、手性、非互易热辐射

文章内容简介

作为信息时代的基础资源，携带自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）的光子在量子通信、传感及成像领域展现出巨大潜力。传统上，结构化光子的产生依赖于激光器与复杂的体光学元件，不仅体积庞大且难以集成。相比之下，利用纳米材料和超表面实现的自发辐射为片内集成提供了更具扩展性的路径。

在众多激发方式中，黑体辐射通常被视为一种宽谱、非相干且无偏振的无序热发射过程。然而，鲁俊教授团队指出，黑体辐射正经历一场从“被动热耗散”到“主动结构化光源”的转变。通过引入各向异性、手性或对称性破缺的纳米结构（如光子晶体、超表面及扭曲纳米纤维），研究人员可以打破基尔霍夫定律的传统限制，将热辐射重塑为具有特定偏振、方向性和拓扑荷的结构化光束。

文章重点讨论了两种调控范式，一种互易热辐射（Reciprocal BBR）： 利用几何结构设计（如扭曲碳纳米管灯丝）打破空间对称性，在高温下实现高纯度的圆偏振热发射，将无序的热转化为有序的光子流。另一种非互易热辐射（Nonreciprocal BBR）： 利用磁光材料或Weyl半金属打破时间反演对称性，实现发射与吸收的解耦，从而获得具有单向性和高自旋选择性的热光子。此外，文章还极具前瞻性地探讨了生物系统中的热辐射。生物大分子（如DNA、蛋白质）本身具有本征手性和有序结构，这暗示人体自身可能就是一个潜在的结构化热辐射源。这一发现为未来的“生物热光子学”和基于偏振热成像的无创医疗诊断提供了全新的物理基础。

您对这个领域有何发展愿景？

作者团队：

传统观念中，热辐射往往被视为电子设备或生物代谢中需要耗散的“废热”。我们的愿景是改变这一刻板印象，将热辐射转化为一种主动的、结构化的、信息丰富的光子资源。我们认为，通过微纳光子学设计，未来的热发射器将不再是简单的宽谱光源，而是能够像激光一样在空间、频谱和偏振维度上被精确调控。特别是在红外波段，结构化热辐射将为被动式传感、自由空间通信以及能源捕获（如热光伏）提供极其紧凑且耐环境干扰的解决方案。我们期待看到热光子学从基础物理研究走向实际应用，从芯片上的微纳热源延伸到覆盖人体的智能织物。

请和大家分享一下这个领域可能

会出现的研究机会！

作者团队：

这一领域是交叉学科的产物，将蕴含着诸多激动人心的机会以及研究课题：

第一，生物热光子学（Biothermal Photonics）。 人体是一个近似的黑体，且生物组织具有复杂的微观手性结构。探索人体热辐射的偏振特性，可能开发出全新的无创诊断技术，例如通过检测肿瘤组织与健康组织热辐射偏振态的差异来进行早期疾病筛查。

第二，非互易热辐射/热传输的突破。 虽然基于互易性的设计已相对成熟，但打破基尔霍夫定律的非互易热辐射能提供更高的自由度。结合磁性材料或拓扑材料（如Weyl半金属），实现无需外加磁场的单向热发射是一个极具挑战但也极具价值的方向。

第三，AI驱动的正/逆向设计。 热发射器的结构参数空间巨大，结合机器学习和人工智能进行正/逆向设计，将极大地加速高性能、多功能热超表面的开发，实现对热光子发射特性的按需定制。

您对该领域的人才培养有何种倡议？

作者团队：

结构化热辐射是一个高度交叉的学科，融合了热学、纳米光子学、材料科学甚至生物医学。对于有志于此的年轻科研人员，我们建议大家注重建立立体化的知识体系。一方面，要扎实掌握电磁场理论和热力学基础；另一方面，要保持对新材料（如相变材料、手性材料）和新工具（如AI/ML）的敏感度。更重要的是，要敢于打破学科壁垒。在研究中，正是通过将光子学的概念引入热辐射，才发现了将“废热”变“宝藏”，让“无序”变“可编程”的可能性。保持好奇心，大胆猜想，小心求证，勇于探索未知的交叉地带，往往能带来意想不到的惊喜。

作者团队简介

鲁俊，新加坡国立大学化学系及物理系校长青年教授（Presidential Young Professor），不对称纳米界面拓扑工程实验室（TEAN LAB）负责人。他于2025年2月全职加入新加坡国立大学。他的研究团队主要致力于原子及纳米尺度不对称界面的设计与调控，旨在实现新兴的量子光学、热学及生物学功能。

马家宾，新加坡国立大学化学系Research Fellow。他于清华大学获得博士学位。目前主要研究兴趣集中在结构化热光子学、手性材料、热输运，以及人工智能/机器学习驱动的多尺度计算模拟。

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Structured Photon Emission of Blackbody Radiation

Jiabin Ma and Jun Lu*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.5c00235

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