紐約市立大學研究生院高級科學研究中心 (CUNY ASRC) 的研究人員通過實驗證明，超表面(納米級結構的二維材料)可以精確控制超表面內部產生的熱輻射的光學特性。這項開創(chuàng)性的研究發(fā)表在《自然納米技術》上，為創(chuàng)建具有前所未有功能的定制光源鋪平了道路，影響了廣泛的科學和技術應用。
熱輻射是一種由物質中熱量驅動的隨機波動產生的電磁波，其本質上是寬帶的，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，由于其隨機性，它會向四面八方擴散。這些特性通常會限制其在需要明確光屬性的應用中的實用性。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，這使得它對現代社會的許多關鍵應用都具有無價的價值。
超表面提供了一種更實用的解決方案，它通過精心設計排列在表面的納米柱形狀來控制電磁波。通過改變這些結構，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。
“我們的最終目標是實現超表面技術，這種技術不需要外部激光源，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·奧維格 (Adam Overvig) 說道，他曾是紐約市立大學 ASRC 光子學計劃的博士后研究員，目前是史蒂文斯理工學院的助理教授。“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，這種超表面不需要外部激光源，而是由熱量驅動的內部非相干物質振蕩提供能量。”
對熱輻射的控制達到前所未有的水平
該研究團隊此前曾發(fā)表過理論研究成果，表明經過適當設計的超表面可以塑造其產生的熱輻射，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。這項研究預測，與傳統的超表面不同，經過適當設計的超表面可以以新穎的方式產生和控制其自身的熱輻射。
在目前的突破中，該團隊著手通過實驗驗證這些預測并在此基礎上開發(fā)新功能。超表面是通過將之前設想的設備架構簡化為具有 2D 圖案的單個結構層而實現的，這種簡化的設計有助于更輕松地制造和實際實施。
雖然傳統的熱輻射是非偏振的，但研究的一個重要重點是利用圓偏振光實現熱輻射，其中電場以旋轉方式振蕩。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)可以分裂成相反的方向，但進一步控制發(fā)射光的偏振似乎存在根本限制。
該團隊的新設計超越了這一限制，允許朝單一方向進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。
紐約市立大學研究生中心杰出教授、愛因斯坦物理學教授、紐約市立大學 ASRC 光子學計劃創(chuàng)始主任 Andrea Alù 表示：“定制光源是許多科學和技術領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用尤其有吸引力，例如太空技術、地質和生物學實地研究以及軍事行動。這項工作代表著朝著實現這些能力邁出了重要一步。”
研究團隊指出，他們目前工作中應用的原理可以擴展到發(fā)光二極管(LED)，有可能增強另一種非常常見且廉價但難以控制的光源。
展望未來，研究團隊的目標是將這些構建模塊結合起來，實現更復雜的熱發(fā)射模式，例如將熱發(fā)射聚焦在設備上方的特定點上或創(chuàng)建熱全息圖。這些進步可能會徹底改變定制光源的設計和功能。
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