破碎的对称性为热排放管理提供了机会

辐射传热是我们宇宙中普遍存在的物理过程。任何温度高于绝对零的物体都会与环境交换热能。在物理学中，热辐射源于材料内部带电粒子热运动引起的电磁辐射。

普朗克定律描述了发射功率的光谱分布。热力学第二定律规定了热发射中能量转移的不可逆性。热辐射往往是宽带的、非相干的、全向的和非偏振的。这是由于材料内部热产生的波动电磁场。

纳米光子学的快速发展使研究人员证明了与自发发光类似的热发射是可以设计或操纵的。它可以使用人工或天然存在的微/纳米结构来完成。窄带、定向或极化热发射都被提出并使用超材料进行了实验证明。丰硕的成果推动了热光子学的发展，提高了能源利用效率，革新了许多能源应用。

在eLight上发表的一篇新论文中，由斯坦福大学和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的科学家组成的合作团队，由范山辉教授和李伟教授领导，强调了对称性破缺的重要性用于热发射的纳米光子控制，并概述了各种物理现象和相关应用。

对称性在物理学中具有根本的重要性。物理系统的对称性是在某些变换下保持不变的物理特征。变换可以是连续的或离散的，这会产生相应类型的对称性。群在数学上描述了对称性。连续对称性由李群描述，而有限群描述离散对称性。物理系统的连续对称性与表征该系统的守恒定律密切相关。

对称性在热辐射中也起着重要作用。在这种情况下，相关的对称性包括几何和非几何对称性。这些对称性对热辐射具有重要意义。例如，任何热发射器都具有两个关键量：角光谱吸收率和角光谱发射率。众所周知，几何和非几何对称性的存在会施加直接约束。

相反，打破这些对称性可以消除这种约束。作为一个简单但重要的例子，研究人员指出，任何线性时不变热发射器都需要有损耗。因此，它们必须打破能量守恒和时间反演的对称性。但是，它可以遵守或违反洛伦兹互惠。

总之，研究人员概述了热光子学中对称性破缺的工程纳米光子结构，主要集中在控制热发射上。它们不同于传统材料和具有高对称性的纳米光子结构。讨论了破碎的几何对称性，包括各向异性、非周期性、随机性和手性。这是一个突出几何不对称引起的热辐射和其他热效应控制的机会。

另一类对称破缺可以通过设计不同的模式对称性来实现，特殊的纳米光子态，包括Fano共振和连续体中的束缚态，对于热发射控制也是可行的。它可以实现窄带发射和热发射的完全切换。

互易性是电磁学中的基本内部对称性。破坏热光子学中的互易性会导致单向热发射，这可能会违反基尔霍夫热辐射定律，并可能提高能量转换和收集应用的效率。

它通过利用磁光效应和时空调制来做到这一点。对于未来的发展，引入更多的复合破缺对称性并探索光与物质相互作用中的不对称性可能会带来新的研究机会。此外，该团队还简要讨论了几个新兴方向：非厄米系统和扭曲光学。