科學家利用先進的納米技術將熱量轉化爲定製光

紐約市立大學研究生中心的研究人員，在利用超表面操縱熱輻射的光學特性方面取得了重大進展。

他們的最新研究展示了這些二維材料如何控制熱輻射以創建可定製的光源，這可能會影響從軍事行動到空間技術的一系列應用。

光控制的突破性進展

在一項突破性的進展中，紐約市立大學研究生中心（CUNY ASRC）高級科學研究中心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本身產生的熱輻射的光學特性。這項開創性的工作發表在《自然納米技術》雜誌上，爲創造具有前所未有能力的定製光源鋪平了道路，影響了廣泛的科學和技術應用。

熱輻射 —— 由熱量驅動的物質隨機波動產生的電磁波的一種形式 —— 本質上是寬帶的，由許多顏色組成。白熾燈泡發出的光就是一個很好的例子。它也是無極化的，由於它的隨機性，它向各個方向擴散。這些特性通常限制了它在需要明確的光特性的應用中的應用。相比之下，激光以其明確的頻率、偏振和傳播方向而聞名，這使得它在現代社會的許多關鍵應用中都是無價的。

用超表面塑形光

超表面提供了一種更實用的解決方案，通過精心設計的排列在其表面的納米柱形狀來控制電磁波。通過改變這些結構，研究人員可以實現對光散射的控制，以可定製的方式有效地“塑造”光。然而，到目前爲止，超表面只被開發用於控制激光光源，而且它們需要笨重、昂貴的激發裝置。

“我們的最終目標是實現不需要外部激光源的超表面技術，但可以提供對自身熱輻射發射和傳播方式的精確控制，”該論文的主要作者之一亞當·奧維格說，他曾是紐約市立大學ASRC光子學計劃的博士後研究員，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，爲一類新的超表面提供了基礎，這些超表面不需要外部激光源，而是由由熱驅動的物質的內部非相干振盪提供能量。”

革命性的熱輻射控制

研究小組先前發表的理論工作表明，適當設計的超表面可以塑造它產生的熱輻射，賦予理想的特徵，如定義頻率，自定義偏振，甚至是能夠創建全息圖的理想波前形狀。該研究預測，與傳統的超表面不同，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，研究小組開始通過實驗驗證這些預測，並建立它們的新功能。超表面是通過將先前設想的設備架構（優雅但難以實現）簡化爲具有2D模式的單一結構化層來實現的。這種流線型設計便於製造和實際實施。

雖然傳統的熱輻射是非偏振的，但研究的一個重要焦點是使熱輻射具有圓偏振光，其中電場以旋轉方式振盪。最近的研究表明，相反的圓偏振（分別以左手和右手特徵旋轉）可以分裂成相反的方向，但似乎存在一個基本的限制，以進一步控制發射光的偏振。該團隊的新設計超越了這一限制，允許圓偏振向單一方向不對稱發射，展示了對熱發射的完全控制。

自定義光源及未來展望

“定製光源是許多科學和技術領域不可或缺的一部分，”紐約城市大學研究生中心的傑出教授、愛因斯坦物理學教授、紐約市立大學ASRC光子學計劃的創始主任安德里亞說。“對於需要便攜性的應用，如天基技術、地質學和生物學的實地研究以及軍事行動，創造具有所需光譜、極化和空間特徵的緊湊、輕量級光源的能力尤其引人注目。這項工作是實現這些能力的重要一步。”

該團隊指出，他們目前工作中應用的原理可以擴展到發光二極管（LED），具有增強另一種非常常見且廉價的光源的潛力，這種光源是出了名的難以控制。

展望未來，研究團隊的目標是將這些構建模塊結合起來，以實現更復雜的熱發射模式，例如將熱發射聚焦到設備上方的特定點或創建熱全息圖。這樣的進步可能會徹底改變定製光源的設計和功能。

這項研究得到了國防部Vannevar Bush教員獎學金、西蒙斯基金會和空軍科學研究辦公室MURI項目的支持。

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