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Long Propagating Polaritonic Heat Transfer: Shaping Radiation to Conduction

热传导 热导率 凝聚态物理 声子 传热 材料科学 极化子 电介质 光子 物理 光电子学 光学 机械 复合材料
作者
Sichao Li,Jingxuan Wang,Yue Wen,Sunmi Shin
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (22): 14779-14789 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c04604
摘要

Surface phonon polaritons (SPhPs) originate from the coupling of mid-IR photons and optical phonons, generating evanescent waves along the polar dielectric surface. The emergence of SPhPs gives rise to a phase of quantum matter that facilitates long-range energy transfer (100s μm-scale). Albeit of the recent experimental progress to observe the enhanced thermal conductivity of polar dielectric nanostructures mediated by SPhPs, the potential mechanism to present the high thermal conductivity beyond the Landauer limit has not been addressed. Here, we revisit the comprehensive theoretical framework to unify the distinct pictures of two heat transfer mechanisms by conduction and radiation. We first designed our experimental platform to distinguish contributions of two distinct fundamental modes of SPhPs, resulting in far-field radiation and long propagating conduction, respectively, by tuning the configuration of a nanostructured heat channel integrated into the thermometer. We could effectively control the transmission of long-propagating SPhPs to influence the apparent thermal conductivity of the nanostructure. This study reveals the high thermal conductance of 1.63 nW/K by a fast SPhP mode comparable to that by classical phonons, with measurements showing apparent conductivity values of up to 2 W/m·K at 515 K. The origin of the enhanced thermal conductivity was exploited by observing the interference of dispersive evanescent waves by double heat channels. Furthermore, our experimental observations of length-dependent thermal conductance by SPhPs are in good agreement with the revisited Landauer formula to illustrate a polaritonic mode of heat conduction, considering the dispersive nature of radiation not limited to the physical boundaries of a solid object yet directionally guided along the surface.
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