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(nèi)部產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(nèi)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(jīng)過適當設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。這項研究預測，與傳統(tǒng)的超表面不同，經(jīng)過適當設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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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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