定制热辐射

当金属发光时，其颜色完全取决于其温度。材料、几何形状、表面结构——这些细节都不重要。如果金属棒上的每一点温度都相同，那么每一点都会发射出完全相同的光谱。

但情况并不总是这样：维也纳工业大学（TU Wien）理论物理研究所的Stefan Rotter教授的研究团队多年来一直致力于使用创新方法控制和影响波的行为。他们与曼彻斯特大学Coskun Kocabas领导的团队合作，现已证明：通过使用与拓扑数学领域密切相关的某些技巧，可以精确控制热辐射，使其仅在非常特定的点发射，而在其他地方则不发射。这一惊人结果现已发表在《科学》杂志上。

材料属性和拓扑

材料的许多属性（例如，其吸收光或导电的方式）都取决于微妙的细节：微小的结构、特定原子的存在。即使是很小的干扰或杂质也往往会导致材料样本表现出与预期完全不同的行为。

“当然，在实践中，我们希望材料的属性尽可能稳定，并且不会因小的变化而立即被破坏，”Stefan Rotter说，“因此，最近人们特别关注所谓的材料的拓扑属性。”

拓扑是数学的一个分支，研究几何对象的基本属性。例如，甜甜圈在拓扑上与面包不同——因为甜甜圈中心有一个洞。你可以挤压或压平面包，但没有连续的变形能将面包的形状变成甜甜圈的形状。为此，你必须创建一个洞。因此，我们可以说，有洞或无洞这一属性在微小变形下是稳定的。

在材料研究中也可以发现同样的现象：某些材料属性也可以是拓扑稳定的——尽管在材料科学中，这通常并不指甜甜圈或面包所在的三维空间，而是指描述某些物理属性的更抽象的数学空间。然而，这里也同样适用：如果属性可以拓扑定义，那么它就具有抗干扰的稳定性。

大不列颠群岛的海岸线作为热辐射模式

“正如我们的联合项目所示，在某些情况下，物体的辐射行为也可以用拓扑来描述，”Stefan Rotter说，“这现在使得可以开发出非常特殊的涂层，用以以前所未有的方式控制热辐射。”

某些金属层的组合会产生拓扑效应，意味着热辐射只能在非常特定的点逃逸，而在其他点则不能。“因此，你可以将热辐射限制在完全任意的形状内，”Stefan Rotter说，“我们的曼彻斯特同事选择了大不列颠群岛的地图（见相应图示）。他们创造了一种特殊的多层涂层：在描绘陆地的地方，顶层金属层的厚度与描绘海洋的地方不同。这种特殊的组合现在确保热辐射只能在两者之间的边界处发射，即沿着海岸线。”

这样，就创建了一个表面，它产生热辐射，但并不像通常那样在每个点都产生，而是仅在描绘大不列颠群岛海岸线的那些点精确产生。“拓扑效应已在其他领域发挥了巨大作用，正如2016年诺贝尔物理学奖所认可的那样，”Stefan Rotter说，“我们工作的新方面是将这些概念应用于热辐射。现在提出的实验是对这些技术的概念验证。我们相信，可以产生一系列其他技术上非常有趣的效果。”

目前，已与曼彻斯特的同事和美国宾夕法尼亚州立大学（Penn State University）的Sahin Özdemir合作开展了进一步的工作，他们也积极参与了当前的项目。