通过准周期等离子体链中的安德森局域化实现极低辐射热通量

为什么在不接触的情况下阻止热量很重要

热量通常以不可见的光形式从热物体传向冷物体，尤其是红外线。在纳米尺度上，这种辐射热可能变得异常强大，这既有利于废热回收和微型热电路等技术，也会在我们需要优异热绝缘时带来麻烦。本文表明，通过将金属纳米颗粒以几乎规则但略有偏差的方式排列成一条线，可以利用称为安德森局域化的波动现象在无物理接触的情况下将辐射热流减弱约千倍。

一条弯曲的微小珠链

作者研究了一维同质金属纳米颗粒链，这些颗粒由铟锑化物制成，这是一种在中红外区支持强电子振荡（等离子体）的半导体——正好对应室温热辐射最强的波段。颗粒并非严格等距排列，而是遵循称为Aubry–André–Harper调制的一种数学模式。该模式既非完全有序也非完全随机：它是准周期的，意味着相邻颗粒之间的距离遵循一种平滑变化但不互为整比的序列。通过调节间距调制的强度，研究者可以调控链的“无序度”，同时保持几何形状的精确控制。

拒绝传播的波

在等距链中，在一个纳米颗粒上激发的等离子体波可以作为延伸至整个结构的集体模传播，有效地将能量从一端传到另一端。随着间距变为准周期，团队发现存在一个明显的跃变：电磁模不再是延展的，而是局域化在少数颗粒周围。这是安德森局域化的光学对应，最初为电子在无序固体中提出。作者使用数值工具跟踪每个模在空间上的集中程度，表明弱调制产生延展模与局域模的混合，而强调制将系统推动到完全局域化的相，包括被固定在链端的特殊“边缘模”。

用局域化降低辐射热

为了把这种波动行为与热流联系起来，研究者将最左侧的纳米颗粒设为略高于其余颗粒的温度，并计算有多少热辐射到达最右侧的颗粒。他们计算一个传输系数来表征各频率通道沿链传输能量的能力，然后将其分解为所有等离子体模的贡献。当模是延展的时，许多频率能高效传输，导致相对较大的热传导率。一旦发生局域化，大多数这些通道就会关闭：局域模将能量困在小区域，只有少数在特定频率处的特殊模有贡献。在低损耗极限下——即材料内部阻尼很小时——与有序链相比，所得的辐射热传导率可下降超过三个数量级。

设计旋钮：间距与材料损耗

研究还探讨了两个关键控制参数：纳米颗粒间的平均间距和材料中的欧姆损耗大小。当颗粒靠近时，它们相互作用强烈，多体效应显著：有序链可大幅增强热流，相比之下强准周期链可大幅抑制热流。随着间距增大，所有链最终表现得像近乎独立的颗粒，传导率趋近于简单的双体极限。损耗同样起关键作用。如果纳米颗粒内的阻尼过大，等离子体共振会变宽并重叠，抹去延展模与局域模之间的区别。作者表明，只有在损耗足够低——单个模能够被良好分辨——时，安德森局域化才会表现为对辐射热传递的强烈、可调的抑制。

从抽象波动到实用绝热

通俗地说，这项研究展示了一种通过利用波干涉而非笨重绝缘材料来“冻结”沿纳米珠链的热辐射流动的方法。通过在等离子体纳米颗粒的间距中工程化一种受控的无序，作者利用安德森局域化困住红外能量并阻止其传播，可能实现超薄热屏障或在未来热光子器件中实现精细定制的热通路。结果既强调了利用波物理在纳米尺度上管理热量的潜力，也指出了实际约束——特别是材料损耗。

引用: Hu, Y., Yan, K., Xiao, WH. et al. Ultralow radiative heat flux by Anderson localization in quasiperiodic plasmonic chains. Commun Phys 9, 73 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02506-w

关键词: 辐射热传递, 等离子体纳米颗粒, 安德森局域化, 准周期链, 纳米尺度热管理