據科學網，于2025年12月02日報道，近日，新加坡國立大學（NUS）魯俊課題組的AMR觀點文章“Structured Photon Emission of Blackbody Radiation”在線發表。文章深入探討了利用黑體輻射（Blackbody Radiation，BBR）產生結構化光子的新興策略，總結了通過微納結構設計打破傳統熱輻射時空相干性限制的最新進展，并展望了其在熱光伏、輻射制冷、生物熱光子學及可穿戴智能織物等領域的廣闊應用前景。
文章內容簡介
作為信息時代的基礎資源，攜帶自旋角動量（SAM）和軌道角動量（OAM）的光子在量子通信、傳感及成像領域展現出巨大潛力。傳統上，結構化光子的產生依賴于激光器與復雜的體光學元件，不僅體積龐大且難以集成。相比之下，利用納米材料和超表面實現的自發輻射為片內集成提供了更具擴展性的路徑。
在眾多激發方式中，黑體輻射通常被視為一種寬譜、非相干且無偏振的無序熱發射過程。然而，魯俊教授團隊指出，黑體輻射正經歷一場從“被動熱耗散”到“主動結構化光源”的轉變。通過引入各向異性、手性或對稱性破缺的納米結構（如光子晶體、超表面及扭曲納米纖維），研究人員可以打破基爾霍夫定律的傳統限制，將熱輻射重塑為具有特定偏振、方向性和拓撲荷的結構化光束。
文章重點討論了兩種調控范式，一種互易熱輻射（Reciprocal BBR）： 利用幾何結構設計（如扭曲碳納米管燈絲）打破空間對稱性，在高溫下實現高純度的圓偏振熱發射，將無序的熱轉化為有序的光子流。另一種非互易熱輻射（Nonreciprocal BBR）： 利用磁光材料或Weyl半金屬打破時間反演對稱性，實現發射與吸收的解耦，從而獲得具有單向性和高自旋選擇性的熱光子。此外，文章還極具前瞻性地探討了生物系統中的熱輻射。生物大分子（如DNA、蛋白質）本身具有本征手性和有序結構，這暗示人體自身可能就是一個潛在的結構化熱輻射源。這一發現為未來的“生物熱光子學”和基于偏振熱成像的無創醫療診斷提供了全新的物理基礎。
您對這個領域有何發展愿景？
作者團隊：
傳統觀念中，熱輻射往往被視為電子設備或生物代謝中需要耗散的“廢熱”。我們的愿景是改變這一刻板印象，將熱輻射轉化為一種主動的、結構化的、信息豐富的光子資源。我們認為，通過微納光子學設計，未來的熱發射器將不再是簡單的寬譜光源，而是能夠像激光一樣在空間、頻譜和偏振維度上被精確調控。特別是在紅外波段，結構化熱輻射將為被動式傳感、自由空間通信以及能源捕獲（如熱光伏）提供極其緊湊且耐環境干擾的解決方案。我們期待看到熱光子學從基礎物理研究走向實際應用，從芯片上的微納熱源延伸到覆蓋人體的智能織物。
請和大家分享一下這個領域可能
會出現的研究機會！
作者團隊：
這一領域是交叉學科的產物，將蘊含著諸多激動人心的機會以及研究課題：
第一，生物熱光子學（Biothermal Photonics）。 人體是一個近似的黑體，且生物組織具有復雜的微觀手性結構。探索人體熱輻射的偏振特性，可能開發出全新的無創診斷技術，例如通過檢測腫瘤組織與健康組織熱輻射偏振態的差異來進行早期疾病篩查。
第二，非互易熱輻射/熱傳輸的突破。 雖然基于互易性的設計已相對成熟，但打破基爾霍夫定律的非互易熱輻射能提供更高的自由度。結合磁性材料或拓撲材料（如Weyl半金屬），實現無需外加磁場的單向熱發射是一個極具挑戰但也極具價值的方向。
第三，AI驅動的正/逆向設計。 熱發射器的結構參數空間巨大，結合機器學習和人工智能進行正/逆向設計，將極大地加速高性能、多功能熱超表面的開發，實現對熱光子發射特性的按需定制。
您對該領域的人才培養有何種倡議？
作者團隊：
結構化熱輻射是一個高度交叉的學科，融合了熱學、納米光子學、材料科學甚至生物醫學。對于有志于此的年輕科研人員，我們建議大家注重建立立體化的知識體系。一方面，要扎實掌握電磁場理論和熱力學基礎；另一方面，要保持對新材料（如相變材料、手性材料）和新工具（如AI/ML）的敏感度。更重要的是，要敢于打破學科壁壘。在研究中，正是通過將光子學的概念引入熱輻射，才發現了將“廢熱”變“寶藏”，讓“無序”變“可編程”的可能性。保持好奇心，大膽猜想，小心求證，勇于探索未知的交叉地帶，往往能帶來意想不到的驚喜。
作者團隊簡介
魯俊，新加坡國立大學化學系及物理系校長青年教授（Presidential Young Professor），不對稱納米界面拓撲工程實驗室（TEAN LAB）負責人。他于2025年2月全職加入新加坡國立大學。他的研究團隊主要致力于原子及納米尺度不對稱界面的設計與調控，旨在實現新興的量子光學、熱學及生物學功能。
馬家賓，新加坡國立大學化學系Research Fellow。他于清華大學獲得博士學位。目前主要研究興趣集中在結構化熱光子學、手性材料、熱輸運，以及人工智能/機器學習驅動的多尺度計算模擬。
