研究人員展示了以前所未有的方式控制熱輻射的超表面

紐約市立大學(xué)研究生院高級科學(xué)研究中心 (CUNY ASRC) 的研究人員通過實(shí)驗(yàn)證明，超表面(納米級結(jié)構(gòu)的二維材料)可以精確控制超表面內(nèi)部產(chǎn)生的熱輻射的光學(xué)特性。這項(xiàng)開創(chuàng)性的研究發(fā)表在《自然納米技術(shù)》上，為創(chuàng)建具有前所未有功能的定制光源鋪平了道路，影響了廣泛的科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用。

熱輻射是一種由物質(zhì)中熱量驅(qū)動的隨機(jī)波動產(chǎn)生的電磁波，其本質(zhì)上是寬帶的，由多種顏色組成。白熾燈發(fā)出的光就是一個很好的例子。它也是非偏振的，由于其隨機(jī)性，它會向四面八方擴(kuò)散。這些特性通常會限制其在需要明確光屬性的應(yīng)用中的實(shí)用性。相比之下，以明確的頻率、偏振和傳播方向而聞名的激光是明確的，這使得它對現(xiàn)代社會的許多關(guān)鍵應(yīng)用都具有無價的價值。

超表面提供了一種更實(shí)用的解決方案，它通過精心設(shè)計排列在表面的納米柱形狀來控制電磁波。通過改變這些結(jié)構(gòu)，研究人員可以控制光散射，有效地以可定制的方式“塑造”光。然而，到目前為止，超表面僅被開發(fā)用于控制激光光源，而且它們需要笨重、昂貴的激發(fā)裝置。

“我們的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)超表面技術(shù)，這種技術(shù)不需要外部激光源，但可以精確控制其自身熱輻射的發(fā)射和傳播方式，”該論文的主要作者之一亞當(dāng)·奧維格 (Adam Overvig) 說道，他曾是紐約市立大學(xué) ASRC 光子學(xué)計劃的博士后研究員，目前是史蒂文斯理工學(xué)院的助理教授。“我們的工作是這一探索的重要一步，為一種新型超表面奠定了基礎(chǔ)，這種超表面不需要外部激光源，而是由熱量驅(qū)動的內(nèi)部非相干物質(zhì)振蕩提供能量。”

對熱輻射的控制達(dá)到前所未有的水平

該研究團(tuán)隊(duì)此前曾發(fā)表過理論研究成果，表明經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計的超表面可以塑造其產(chǎn)生的熱輻射，賦予其理想的特性，例如定義的頻率、自定義偏振，甚至是能夠創(chuàng)建全息圖的所需波前形狀。這項(xiàng)研究預(yù)測，與傳統(tǒng)的超表面不同，經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計的超表面可以以新穎的方式產(chǎn)生和控制其自身的熱輻射。

在目前的突破中，該團(tuán)隊(duì)著手通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這些預(yù)測并在此基礎(chǔ)上開發(fā)新功能。超表面是通過將之前設(shè)想的設(shè)備架構(gòu)簡化為具有 2D 圖案的單個結(jié)構(gòu)層而實(shí)現(xiàn)的，這種簡化的設(shè)計有助于更輕松地制造和實(shí)際實(shí)施。

雖然傳統(tǒng)的熱輻射是非偏振的，但研究的一個重要重點(diǎn)是利用圓偏振光實(shí)現(xiàn)熱輻射，其中電場以旋轉(zhuǎn)方式振蕩。最近的研究表明，相反的圓偏振(分別以左手和右手特征旋轉(zhuǎn))可以分裂成相反的方向，但進(jìn)一步控制發(fā)射光的偏振似乎存在根本限制。

該團(tuán)隊(duì)的新設(shè)計超越了這一限制，允許朝單一方向進(jìn)行圓偏振的不對稱發(fā)射，從而展示對熱發(fā)射的完全控制。

紐約市立大學(xué)研究生中心杰出教授、愛因斯坦物理學(xué)教授、紐約市立大學(xué) ASRC 光子學(xué)計劃創(chuàng)始主任 Andrea Alù 表示：“定制光源是許多科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的一部分。能夠創(chuàng)建具有所需光譜、偏振和空間特征的緊湊、輕便光源對于需要便攜性的應(yīng)用尤其有吸引力，例如太空技術(shù)、地質(zhì)和生物學(xué)實(shí)地研究以及軍事行動。這項(xiàng)工作代表著朝著實(shí)現(xiàn)這些能力邁出了重要一步。”

研究團(tuán)隊(duì)指出，他們目前工作中應(yīng)用的原理可以擴(kuò)展到發(fā)光二極管(LED)，有可能增強(qiáng)另一種非常常見且廉價但難以控制的光源。

展望未來，研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是將這些構(gòu)建模塊結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的熱發(fā)射模式，例如將熱發(fā)射聚焦在設(shè)備上方的特定點(diǎn)上或創(chuàng)建熱全息圖。這些進(jìn)步可能會徹底改變定制光源的設(shè)計和功能。

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