研究人员展示了以前所未有的方式控制热辐射的超表面

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，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。这项发表在《自然纳米技术》上的开创性工作为创造具有前所未有能力的定制光源铺平了道路，影响了广泛的科学技术应用

热辐射——一种由物质中热驱动的随机波动产生的电磁波——本质上是宽带的，由多种颜色组成。一个很好的例子是白炽灯泡发出的光。它也是非极化的，由于其随机性，它向各个方向扩散。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。相比之下，以其确定的频率、偏振和传播方向而闻名的激光具有明确的定义，使其在现代社会的许多关键应用中具有不可估量的价值

Metasurfaces通过精心设计的纳米柱形状来控制电磁波，从而提供了一种更大的实用性解决方案，这些纳米柱排列在它们的表面上。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，超表面仅被开发用于控制激光源，并且它们需要庞大、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，但可以精确控制其自身热辐射的发射和传播方式，”该论文的主要作者之一Adam Overvig说，他曾是纽约市立大学ASRC光子学倡议的博士后研究员，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，这种超表面不需要外部激光源，而是由热量驱动的物质内部非相干振荡提供能量。”

对热辐射的前所未有的控制

研究小组此前发表的理论工作表明，设计得当的超表面可以塑造它产生的热辐射，赋予所需的特征，如定义的频率、自定义偏振，甚至能够创建全息图的所需波前形状。这项研究预测，与传统的超表面不同，经过适当设计的超表面可以以新的方式产生和控制自己的热辐射

在目前的突破中，该团队着手通过实验验证这些预测，并在其新功能的基础上进一步发展。元表面是通过将之前设想的优雅但难以实现的设备架构简化为具有2D图案的单个结构化层来实现的。这种流线型设计便于更容易的制造和实际实施

虽然传统的热辐射是非极化的，但这项研究的一个重要重点是利用圆偏振光实现热辐射，其中电场以旋转方式振荡。最近的研究表明，相反的圆偏振（分别以左旋和右旋特征旋转）可以分裂成相反的方向，但进一步控制发射光的偏振似乎存在一个基本限制

该团队的新设计超越了这一限制，允许向单个方向不对称发射圆偏振，展示了对热发射的完全控制

纽约市立大学研究生中心杰出教授、爱因斯坦物理学教授、纽约市立大学ASRC光子学倡议创始主任Andrea Alù表示：“定制光源是许多科学技术领域不可或缺的一部分。”。“创建具有所需光谱、偏振和空间特征的紧凑、轻便光源的能力对于需要便携性的应用尤其引人注目，例如天基技术、地质和生物学领域的实地研究以及军事行动。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），有可能增强另一种非常常见且廉价的光源，这种光源以难以控制而闻名

展望未来，研究小组的目标是将这些构建块结合起来，以实现更复杂的热发射模式，例如将热发射聚焦在设备上方的特定点上或创建热全息图。这些进步可能会彻底改变定制光源的设计和功能 More information: Local control of polarization and geometric phase in thermal metasurfaces, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01763-6. www.nature.com/articles/s41565-024-01763-6

Journal information: Nature Nanotechnology