通过六方氮化硼中的双曲声子极化激元实现跨固体界面的超快倏逝热传递
介观与纳米尺度物理
2025-04-21 v2 光学
摘要
声子介导的热传输效率受材料固有原子特性的限制，似乎为材料内部及其界面上的热传递提供了上限。传导传输的典型速度本质上受化学键和原子质量的限制，决定了热量在固体中移动的速度。鉴于声子极化激元（即耦合的声子-光子模式）能够以接近光速1%的速度传播——比纯扩散声子导体内的传输快数个数量级——我们证明，许多双轴极性晶体支持的体积受限的双曲声子极化激元（HPhP）模式能够以比单独声子-声子传导高一个数量级的速率耦合跨固-固界面的能量。利用具有亚皮秒分辨率的可调中红外探测脉冲的泵浦-探测热反射技术，我们展示了在六方氮化硼中，由于来自热发射金源的热辐射加热，HPhP模式的远程和光谱选择性激发。我们的工作展示了一种基于从金膜热点到hBN HPhP的宽带辐射耦合的界面热传递新途径，独立于所用泵浦（可见光）和探测（中红外）脉冲之间的宽光谱失配。该方法可用于绕过本质上受限的声子-声子传导路径，从而提供一种跨界面热传递的替代方式。此外，我们对hBN中HPhP模式温度变化的时间分辨测量表明，通过极化激元耦合，材料能够以比材料固有的扩散声子速度快数个数量级的速率跨界面并远离界面传递热量，从而展示了通过声子-极化激元耦合在hBN中显著的传热增强。
引用
@article{arxiv.2401.09594,
title = {Ultrafast evanescent heat transfer across solid interfaces via hyperbolic phonon polaritons in hexagonal boron nitride},
author = {William Hutchins and John A. Tomko and Dan M. Hirt and Saman Zare and Joseph R. Matson and Katja Diaz-Granados and Mingze He and Thomas Pfeifer and Jiahan Li and James Edgar and Jon-Paul Maria and Joshua D. Caldwell and Patrick E. Hopkins},
journal= {arXiv preprint arXiv:2401.09594},
year = {2025}
}