利用先进纳米技术将热量转化为定制光源
热元表面由玻璃（蓝色）和金属镜面（金色）上的单层纳米结构硅（灰色）构成。纳米结构表面经过特别定制，可以向所需方向发射热圆极化光。这项研究成果有望创造出小巧、廉价、便携的光源，这对于天基应用、生物和地质野外研究以及军事行动至关重要。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。光控制领域的突破性进展纽约市立大学研究生中心高级科学研究中心（CUNYASRC）的研究人员通过实验证明，元表面（纳米级结构的二维材料）可以精确控制元表面本身产生的热辐射的光学特性，这是一项突破性进展。这项开创性工作发表在8月23日的《自然—纳米技术》（NatureNanotechnology）上，该研究为创造具有前所未有能力的定制光源铺平了道路，并将对一系列科学和技术应用产生影响。热辐射是一种由物质中的热驱动随机波动产生的电磁波，它本质上是宽带的，由多种颜色组成。白炽灯发出的光就是一个很好的例子。它也是非极化的，并且由于其随机性而向各个方向扩散。这些特性往往限制了它在需要明确光特性的应用中的实用性。与此相反，激光以其明确的频率、偏振和传播方向而著称，它的特性非常明确，因此在现代社会的许多关键应用中都非常宝贵。用金属表面塑造光线元表面通过精心设计的纳米柱形状控制电磁波，提供了一种更实用的解决方案。通过改变这些结构，研究人员可以实现对光散射的控制，从而有效地以可定制的方式“塑造”光线。然而，迄今为止，元表面仅被开发用于控制激光光源，而且需要笨重、昂贵的激发装置。本文的主要作者之一亚当·奥弗维格（AdamOvervig）说：“我们的最终目标是实现不需要外部激光光源，但能精确控制自身热辐射发射和传播方式的元表面技术。”他曾是纽约市立大学ASRC光子计划的博士后研究员，现任史蒂文斯理工学院助理教授。“我们的工作是在这一探索中迈出的重要一步，为一种不需要外部激光源，而是由热量驱动的物质内部非相干振荡提供能量的新型超表面奠定了基础。”热辐射控制的革命性变革研究小组之前发表的理论研究表明，设计合理的元表面可以塑造其产生的热辐射，赋予其理想的特性，如确定的频率、定制的偏振，甚至是能够产生全息图的理想波面形状。这项研究预测，与传统的元表面不同，经过适当设计的元表面能够以新颖的方式产生并控制自身的热辐射。在目前的进展中，研究小组着手在实验中验证这些预测，并在其新功能的基础上进行改进。元表面是通过将以前设想但难以实现的设备结构简化为具有二维图案的单一结构层而实现的。这种简化设计便于制造和实际应用。传统的热辐射是非偏振的，而研究的一个重点是利用圆偏振光实现热辐射，即电场以旋转的方式摆动。最近的研究表明，相反的圆偏振（分别以左旋和右旋的方式旋转）可以分成相反的方向，但要进一步控制发射光的偏振似乎存在根本性的限制。该团队的新设计突破了这一限制，允许圆偏振向单一方向非对称发射，展示了对热发射的全面控制。定制光源与未来展望纽约市立大学研究生中心物理学教授、纽约市立大学ASRC光子计划创始主任安德烈亚·阿卢（AndreaAlù）说：“定制光源是许多科学和技术领域不可或缺的一部分。创建具有所需光谱、偏振和空间特性的紧凑、轻质光源的能力，对于需要便携性的应用（如天基技术、地质学和生物学领域的实地研究以及军事行动）来说尤为重要。这项工作是朝着实现这些能力迈出的重要一步。”研究小组指出，他们目前工作中应用的原理可以扩展到发光二极管（LED），从而有可能增强另一种非常常见且廉价的光源，但这种光源却很难控制。展望未来，研究团队的目标是将这些构件结合起来，实现更复杂的热发射模式，如将热发射聚焦到器件上方的特定点，或创建热全息图。这些进步将彻底改变定制光源的设计和功能。这项研究得到了美国国防部VannevarBush院士奖学金、西蒙斯基金会和空军科学研究办公室MURI计划的支持。（航柯）