We investigate near-field thermal radiation of gradient refractive index slabs (GRISs). It is demonstrated that internal polaritons (IPs) can be supported in the interior of GRISs. IPs provide more evanescent electromagnetic states especially in the lower frequency region and cause red-shift in the near-field heat flux spectrum, as well as enhance local absorption inside the medium. This work sheds light on the mechanism of near-field thermal radiation between GRISs and provides additional design freedom for near-field energy devices.

1.
P.
Ben-Abdallah
and
S.-A.
Biehs
,
Phys. Rev. Lett.
112
(
4
),
044301
(
2014
).
2.
J.
Ordonez-Miranda
,
Y.
Ezzahri
,
J. A.
Tiburcio-Moreno
,
K.
Joulain
, and
J.
Drevillon
,
Phys. Rev. Lett.
123
(
2
),
025901
(
2019
).
3.
A.
Fiorino
,
L.
Zhu
,
D.
Thompson
,
R.
Mittapally
,
P.
Reddy
, and
E.
Meyhofer
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
806
(
2018
).
4.
T.
Inoue
,
T.
Koyama
,
D. D.
Kang
,
K.
Ikeda
,
T.
Asano
, and
S.
Noda
,
Nano Lett.
19
(
6
),
3948
(
2019
).
5.
G. R.
Bhatt
,
B.
Zhao
,
S.
Roberts
,
I.
Datta
,
A.
Mohanty
,
T.
Lin
,
J.-M.
Hartmann
,
R.
St-Gelais
,
S.
Fan
, and
M.
Lipson
,
Nat. Commun.
11
(
1
),
2545
(
2020
).
6.
R.
Mittapally
,
B.
Lee
,
L.
Zhu
,
A.
Reihani
,
J. W.
Lim
,
D.
Fan
,
S. R.
Forrest
,
P.
Reddy
, and
E.
Meyhofer
,
Nat. Commun.
12
(
1
),
4364
(
2021
).
7.
C.
Lucchesi
,
D.
Cakiroglu
,
J. P.
Perez
,
T.
Taliercio
,
E.
Tournie
,
P. O.
Chapuis
, and
R.
Vaillon
,
Nano Lett.
21
(
11
),
4524
(
2021
).
8.
A.
Fiorino
,
D.
Thompson
,
L.
Zhu
,
R.
Mittapally
,
S. A.
Biehs
,
O.
Bezencenet
,
N.
El-Bondry
,
S.
Bansropun
,
P.
Ben-Abdallah
,
E.
Meyhofer
, and
P.
Reddy
,
ACS Nano
12
(
6
),
5774
(
2018
).
9.
L.
Zhu
,
A.
Fiorino
,
D.
Thompson
,
R.
Mittapally
,
E.
Meyhofer
, and
P.
Reddy
,
Nature
566
(
7743
),
239
(
2019
).
10.
K.
Ito
,
K.
Nishikawa
,
A.
Miura
,
H.
Toshiyoshi
, and
H.
Iizuka
,
Nano Lett.
17
(
7
),
4347
(
2017
).
11.
J.
DeSutter
,
L.
Tang
, and
M.
Francoeur
,
Nat. Nanotechnol.
14
,
751
(
2019
).
12.
N. H.
Thomas
,
M. C.
Sherrott
,
J.
Broulliet
,
H. A.
Atwater
, and
A. J.
Minnich
,
Nano Lett.
19
(
6
),
3898
(
2019
).
13.
D.
Thompson
,
L.
Zhu
,
E.
Meyhofer
, and
P.
Reddy
,
Nat. Nanotechnol.
15
(
2
),
99
(
2020
).
14.
K.
Joulain
,
J.-P.
Mulet
,
F.
Marquier
,
R.
Carminati
, and
J.-J.
Greffet
,
Surf. Sci. Rep.
57
(
3–4
),
59
(
2005
).
15.
S.
Basu
,
Z. M.
Zhang
, and
C. J.
Fu
,
Int. J. Energy Res.
33
(
13
),
1203
(
2009
).
16.
B.
Song
,
A.
Fiorino
,
E.
Meyhofer
, and
P.
Reddy
,
AIP Adv.
5
(
5
),
053503
(
2015
).
17.
J.-J.
Greffet
,
C. R. Phys.
18
(
1
),
24
(
2017
).
18.
Z.
Dai
,
G.
Hu
,
G.
Si
,
Q.
Ou
,
Q.
Zhang
,
S.
Balendhran
,
F.
Rahman
,
B. Y.
Zhang
,
J. Z.
Ou
,
G.
Li
,
A.
Alu
,
C. W.
Qiu
, and
Q.
Bao
,
Nat. Commun.
11
(
1
),
6086
(
2020
).
19.
G.
Hu
,
A.
Krasnok
,
Y.
Mazor
,
C. W.
Qiu
, and
A.
Alu
,
Nano Lett.
20
(
5
),
3217
(
2020
).
20.
G.
Hu
,
Q.
Ou
,
G.
Si
,
Y.
Wu
,
J.
Wu
,
Z.
Dai
,
A.
Krasnok
,
Y.
Mazor
,
Q.
Zhang
,
Q.
Bao
,
C. W.
Qiu
, and
A.
Alu
,
Nature
582
(
7811
),
209
(
2020
).
21.
P.
Li
,
G.
Hu
,
I.
Dolado
,
M.
Tymchenko
,
C. W.
Qiu
,
F. J.
Alfaro-Mozaz
,
F.
Casanova
,
L. E.
Hueso
,
S.
Liu
,
J. H.
Edgar
,
S.
Velez
,
A.
Alu
, and
R.
Hillenbrand
,
Nat. Commun.
11
(
1
),
3663
(
2020
).
22.
G.
Hu
,
M.
Wang
,
Y.
Mazor
,
C.-W.
Qiu
, and
A.
Alù
,
Trends Chem.
3
(
5
),
342
(
2021
).
23.
W.
Ma
,
G.
Hu
,
D.
Hu
,
R.
Chen
,
T.
Sun
,
X.
Zhang
,
Q.
Dai
,
Y.
Zeng
,
A.
Alu
,
C. W.
Qiu
, and
P.
Li
,
Nature
596
(
7872
),
362
(
2021
).
24.
J.-P.
Mulet
,
K.
Joulain
,
R.
Carminati
, and
J.-J.
Greffet
,
Microscale Thermophys. Eng.
6
(
3
),
209
(
2002
).
25.
K.
Joulain
,
R.
Carminati
,
J.-P.
Mulet
, and
J.-J.
Greffet
,
Phys. Rev. B
68
(
24
),
245405
(
2003
).
26.
C. J.
Fu
and
Z. M.
Zhang
,
Int. J. Heat Mass Transfer
49
(
9–10
),
1703
(
2006
).
27.
S.
Basu
and
Z. M.
Zhang
,
J. Appl. Phys.
105
(
9
),
093535
(
2009
).
28.
X. J.
Wang
,
S.
Basu
, and
Z. M.
Zhang
,
J. Phys. D
42
(
24
),
245403
(
2009
).
29.
S.
Basu
,
B. J.
Lee
, and
Z. M.
Zhang
,
J. Heat Transfer
132
(
2
),
023301
(
2010
).
30.
O.
Ilic
,
M.
Jablan
,
J. D.
Joannopoulos
,
I.
Celanovic
,
H.
Buljan
, and
M.
Soljačić
,
Phys. Rev. B
85
(
15
),
155422
(
2012
).
31.
S.
Shen
,
A.
Mavrokefalos
,
P.
Sambegoro
, and
G.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
100
(
23
),
233114
(
2012
).
32.
V. B.
Svetovoy
,
P. J.
van Zwol
, and
J.
Chevrier
,
Phys. Rev. B
85
(
15
),
155418
(
2012
).
33.
M.
Lim
,
S. S.
Lee
, and
B. J.
Lee
,
Opt. Express
21
(
19
),
22173
(
2013
).
34.
X.
Liu
,
R. Z.
Zhang
, and
Z.
Zhang
,
ACS Photonics
1
(
9
),
785
(
2014
).
35.
X. L.
Liu
and
Z. M.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
104
(
25
),
251911
(
2014
).
36.
S.
Boriskina
,
J.
Tong
,
Y.
Huang
,
J.
Zhou
,
V.
Chiloyan
, and
G.
Chen
,
Photonics
2
(
2
),
659
(
2015
).
37.
G.
Yin
,
J.
Yang
, and
Y.
Ma
,
Appl. Phys. Express
9
(
12
),
122001
(
2016
).
38.
A. V.
Shchegrov
,
K.
Joulain
,
R.
Carminati
, and
J. J.
Greffet
,
Phys. Rev. Lett.
85
(
7
),
1548
(
2000
).
39.
B.
Zhao
and
Z. M.
Zhang
,
J. Heat Transfer
139
(
2
),
022701
(
2017
).
40.
B.
Zhao
,
B.
Guizal
,
Z. M.
Zhang
,
S.
Fan
, and
M.
Antezza
,
Phys. Rev. B
95
(
24
),
245437
(
2017
).
41.
Y.
Yang
and
L.
Wang
,
J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer
197
,
68
(
2017
).
42.
M.
Francoeur
,
M. P.
Mengüç
, and
R.
Vaillon
,
Appl. Phys. Lett.
93
(
4
),
043109
(
2008
).
43.
M.
Francoeur
,
M.
Pinar Mengüç
, and
R.
Vaillon
,
J. Phys. D
43
(
7
),
075501
(
2010
).
44.
M.
Francoeur
,
M. P.
Mengüç
, and
R.
Vaillon
,
J. Appl. Phys.
107
(
3
),
034313
(
2010
).
45.
S.
Basu
and
M.
Francoeur
,
Appl. Phys. Lett.
98
(
24
),
243120
(
2011
).
46.
Y.
Zhang
,
C.-H.
Wang
,
H.-L.
Yi
, and
H.-P.
Tan
,
J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer
221
,
138
(
2018
).
47.
H.
Iizuka
and
S.
Fan
,
Phys. Rev. Lett.
120
(
6
),
063901
(
2018
).
48.
M. J.
He
,
H.
Qi
,
Y. F.
Wang
,
Y. T.
Ren
,
W. H.
Cai
, and
L. M.
Ruan
,
Opt. Express
27
(
16
),
A953
(
2019
).
49.
L.
Ge
,
K.
Gong
,
Y.
Cang
,
Y.
Luo
,
X.
Shi
, and
Y.
Wu
,
Phys. Rev. B
100
(
3
),
035414
(
2019
).
50.
G. T.
Papadakis
,
B.
Zhao
,
S.
Buddhiraju
, and
S.
Fan
,
ACS Photonics
6
(
3
),
709
(
2019
).
51.
S. M.
Sze
and
M. K.
Lee
,
Semiconductor Devices: Physics and Technology
(
John Wiley & Sons, Inc
.,
New York
,
2012
).
52.
S. M.
Sze
,
Physics of Semiconductor Devices
(
Wiley
,
Hoboken
,
2007
).
53.
D. Y.
Xu
,
A.
Bilal
,
J. M.
Zhao
,
L. H.
Liu
, and
Z. M.
Zhang
,
Int. J. Heat Mass Transfer
142
,
118432
(
2019
).
54.
A. P.
Vasudev
,
J. H.
Kang
,
J.
Park
,
X.
Liu
, and
M. L.
Brongersma
,
Opt. Express
21
(
22
),
26387
(
2013
).
55.
F.
Yi
,
E.
Shim
,
A. Y.
Zhu
,
H.
Zhu
,
J. C.
Reed
, and
E.
Cubukcu
,
Appl. Phys. Lett.
102
(
22
),
221102
(
2013
).
56.
S. S.
Mirshafieyan
and
D. A.
Gregory
,
Sci. Rep.
8
(
1
),
2635
(
2018
).
57.
J.
Park
,
J.-H.
Kang
,
X.
Liu
,
S. J.
Maddox
,
K.
Tang
,
P. C.
McIntyre
,
S. R.
Bank
, and
M. L.
Brongersma
,
Sci. Adv.
4
(
12
),
eaat3163
(
2018
).
58.
J.
Park
,
J. H.
Kang
,
X.
Liu
, and
M. L.
Brongersma
,
Sci. Rep.
5
,
15754
(
2015
).
59.
D.
Xu
,
J.
Zhao
, and
L.
Liu
,
Int. J. Therm. Sci.
165
,
106934
(
2021
).
60.
S. A.
Maier
,
Plasmonics: Fundamentals and Applications
(
Springer Berlin
,
2014
).
61.
A. V.
Krasavin
and
A. V.
Zayats
,
Phys. Rev. Lett.
109
(
5
),
053901
(
2012
).
62.
M.
Francoeur
and
M. P.
Mengüç
,
J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer
109
(
2
),
280
(
2008
).
63.
M.
Francoeur
,
M.
Pinar Mengüç
, and
R.
Vaillon
,
J. Quantum Spectrosc. Radiat. Transfer
110
(
18
),
2002
(
2009
).
64.
L.
Tsang
,
J. A.
Kong
, and
K. H.
Ding
,
Scattering of Electromagnetic Waves
(
Wiley
,
New York
,
2000
).
65.
J. E.
Sipe
,
J. Opt. Soc. Am. B
4
(
4
),
481
(
1987
).
66.
Z. M.
Zhang
,
Nano/Microscale Heat Transfer
(
McGraw-Hill
,
New York
,
2007
).
67.
P.
Yeh
,
Optical Waves in Layered Media
(
John Wiley and Sons
,
Hoboken
,
2005
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.