科学家利用先进的纳米技术将热量转化为定制光

纽约市立大学研究生中心的研究人员，在利用超表面操纵热辐射的光学特性方面取得了重大进展。

他们的最新研究展示了这些二维材料如何控制热辐射以创建可定制的光源，这可能会影响从军事行动到空间技术的一系列应用。

光控制的突破性进展

在一项突破性的进展中，纽约市立大学研究生中心（CUNY ASRC）高级科学研究中心的研究人员通过实验证明，超表面（纳米级结构的二维材料）可以精确控制超表面本身产生的热辐射的光学特性。这项开创性的工作发表在《自然纳米技术》杂志上，为创造具有前所未有能力的定制光源铺平了道路，影响了广泛的科学和技术应用。

热辐射 —— 由热量驱动的物质随机波动产生的电磁波的一种形式 —— 本质上是宽带的，由许多颜色组成。白炽灯泡发出的光就是一个很好的例子。它也是无极化的，由于它的随机性，它向各个方向扩散。这些特性通常限制了它在需要明确的光特性的应用中的应用。相比之下，激光以其明确的频率、偏振和传播方向而闻名，这使得它在现代社会的许多关键应用中都是无价的。

用超表面塑形光

超表面提供了一种更实用的解决方案，通过精心设计的排列在其表面的纳米柱形状来控制电磁波。通过改变这些结构，研究人员可以实现对光散射的控制，以可定制的方式有效地“塑造”光。然而，到目前为止，超表面只被开发用于控制激光光源，而且它们需要笨重、昂贵的激发装置。

“我们的最终目标是实现不需要外部激光源的超表面技术，但可以提供对自身热辐射发射和传播方式的精确控制，”该论文的主要作者之一亚当·奥维格说，他曾是纽约市立大学ASRC光子学计划的博士后研究员，目前是史蒂文斯理工学院的助理教授。“我们的工作是这一探索的重要一步，为一类新的超表面提供了基础，这些超表面不需要外部激光源，而是由由热驱动的物质的内部非相干振荡提供能量。”

革命性的热辐射控制

研究小组先前发表的理论工作表明，适当设计的超表面可以塑造它产生的热辐射，赋予理想的特征，如定义频率，自定义偏振，甚至是能够创建全息图的理想波前形状。该研究预测，与传统的超表面不同，适当设计的超表面可以以新颖的方式产生和控制其自身的热辐射。

在目前的突破中，研究小组开始通过实验验证这些预测，并建立它们的新功能。超表面是通过将先前设想的设备架构（优雅但难以实现）简化为具有2D模式的单一结构化层来实现的。这种流线型设计便于制造和实际实施。

虽然传统的热辐射是非偏振的，但研究的一个重要焦点是使热辐射具有圆偏振光，其中电场以旋转方式振荡。最近的研究表明，相反的圆偏振（分别以左手和右手特征旋转）可以分裂成相反的方向，但似乎存在一个基本的限制，以进一步控制发射光的偏振。该团队的新设计超越了这一限制，允许圆偏振向单一方向不对称发射，展示了对热发射的完全控制。

自定义光源及未来展望

“定制光源是许多科学和技术领域不可或缺的一部分，”纽约城市大学研究生中心的杰出教授、爱因斯坦物理学教授、纽约市立大学ASRC光子学计划的创始主任安德里亚说。“对于需要便携性的应用，如天基技术、地质学和生物学的实地研究以及军事行动，创造具有所需光谱、极化和空间特征的紧凑、轻量级光源的能力尤其引人注目。这项工作是实现这些能力的重要一步。”

该团队指出，他们目前工作中应用的原理可以扩展到发光二极管（LED），具有增强另一种非常常见且廉价的光源的潜力，这种光源是出了名的难以控制。

展望未来，研究团队的目标是将这些构建模块结合起来，以实现更复杂的热发射模式，例如将热发射聚焦到设备上方的特定点或创建热全息图。这样的进步可能会彻底改变定制光源的设计和功能。

这项研究得到了国防部Vannevar Bush教员奖学金、西蒙斯基金会和空军科学研究办公室MURI项目的支持。

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