据麦姆斯咨询介绍，美国纽约城市大学研究生中心先进科学研究中心（CUNY ASRC）的研究人员通过实验证明，超构表面（基于纳米级结构的二维材料）可以精确调控自身热辐射的光学特性。这项发表在Nature Nanotechnology期刊上的开创性研究成果，为打造具有前所未有能力的定制光源铺平了道路，有望对一系列科学和技术应用产生重要影响。
热辐射超构表面的设计和功能
热辐射是一种由物质中热驱动随机波动产生的电磁波形式，其本质上是宽带的，包含多种“颜色”。白炽灯发出的光就是一个很好的例子。它还是非偏振的，由于其随机性而向四面八方扩散。这些特性通常限制了它们在需要明确光特性应用中的实用性。与此相反，激光以其定义明确的频率、偏振和传播方向而著称，使其成为现代社会许多关键应用不可或缺的组成部分。
超构表面通过精心设计的纳米柱形状调控电磁波，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调控，有效地以可定制的方式“塑造”光线。然而，迄今为止，超构表面仅用于调控激光光源，而且需要笨重、昂贵的激发装置。
该论文主要作者之一Adam Overvig（他曾是CUNY ASRC光子学计划的博士后研究员，现任Stevens Institute of Technology助理教授）说：“我们的最终目标是实现无需外部激光源，但能精确调控自身热辐射发射和传播方式的超构表面。我们在这一探索中迈出了重要一步，为不需要外部激光源的新型超构表面奠定了基础，这种超构表面由热驱动的物质内部非相干振荡提供能量。”
该研究提出的热辐射超构表面由玻璃（蓝色）上的单层纳米结构硅（灰色）和金属镜面（金色）构成。纳米结构表面经过特别定制，可以向所需方向热辐射圆偏振光。
前所未有的热辐射调控
研究小组之前发表的理论研究表明，设计合理的超构表面可以调控其产生的热辐射，赋予其理想的特性，例如特定的频率、定制的偏振，甚至是能够产生全息图的理想波前形状。这项研究预测，与传统的超构表面不同，经过适当设计的超构表面能够以新颖的方式产生并调控自身的热辐射。
在这项突破性研究中，研究小组着手通过实验验证这些预测，并进一步开发其新功能。本研究开发的超构表面，将之前精心设计但难以实现的器件结构，简化为具有二维图案的单一结构层而实现。这种简化的设计便于制造和实际应用。
与传统的热辐射不同，该研究的一个主要重点是使热辐射具有圆偏振光的特性，其电场以旋转的方式振荡。最近的研究表明，分别以左旋和右旋的方式旋转的圆偏振光，可以朝相反的方向分离，但要进一步调控发射光的偏振似乎存在根本性的限制。
研究小组的新设计突破了这一限制，使圆偏振光的非对称发射朝向单一方向，展示了对热辐射的完全调控。
纽约城市大学研究生中心杰出教授、爱因斯坦物理学教授兼CUNY ASRC光子学计划创始主任Andrea Alù说：“定制光源是许多科学和技术应用不可或缺的一部分。构建具有所需光谱、偏振和空间特性的紧凑、轻质光源，对于需要便携性的应用（如空间技术、地质学和生物学实地研究以及军事行动）来说尤为重要。这项工作代表了实现这些能力所迈出的重要一步。”
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），从而有望增强另一种非常常见且廉价的光源，而这种光源一直以来都很难调控。
展望未来，研究团队的目标是将这些基本构件结合起来，实现更复杂的热辐射模式，例如将热辐射聚焦在器件上方的特定点，或者创建热辐射全息图。这些进展将彻底改变定制光源的设计和功能。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01763-6
据麦姆斯咨询介绍，美国纽约城市大学研究生中心先进科学研究中心（CUNY ASRC）的研究人员通过实验证明，超构表面（基于纳米级结构的二维材料）可以精确调控自身热辐射的光学特性。这项发表在Nature Nanotechnology期刊上的开创性研究成果，为打造具有前所未有能力的定制光源铺平了道路，有望对一系列科学和技术应用产生重要影响。
热辐射超构表面的设计和功能
热辐射是一种由物质中热驱动随机波动产生的电磁波形式，其本质上是宽带的，包含多种“颜色”。白炽灯发出的光就是一个很好的例子。它还是非偏振的，由于其随机性而向四面八方扩散。这些特性通常限制了它们在需要明确光特性应用中的实用性。与此相反，激光以其定义明确的频率、偏振和传播方向而著称，使其成为现代社会许多关键应用不可或缺的组成部分。
超构表面通过精心设计的纳米柱形状调控电磁波，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调控，有效地以可定制的方式“塑造”光线。然而，迄今为止，超构表面仅用于调控激光光源，而且需要笨重、昂贵的激发装置。
该论文主要作者之一Adam Overvig（他曾是CUNY ASRC光子学计划的博士后研究员，现任Stevens Institute of Technology助理教授）说：“我们的最终目标是实现无需外部激光源，但能精确调控自身热辐射发射和传播方式的超构表面。我们在这一探索中迈出了重要一步，为不需要外部激光源的新型超构表面奠定了基础，这种超构表面由热驱动的物质内部非相干振荡提供能量。”
该研究提出的热辐射超构表面由玻璃（蓝色）上的单层纳米结构硅（灰色）和金属镜面（金色）构成。纳米结构表面经过特别定制，可以向所需方向热辐射圆偏振光。
前所未有的热辐射调控
研究小组之前发表的理论研究表明，设计合理的超构表面可以调控其产生的热辐射，赋予其理想的特性，例如特定的频率、定制的偏振，甚至是能够产生全息图的理想波前形状。这项研究预测，与传统的超构表面不同，经过适当设计的超构表面能够以新颖的方式产生并调控自身的热辐射。
在这项突破性研究中，研究小组着手通过实验验证这些预测，并进一步开发其新功能。本研究开发的超构表面，将之前精心设计但难以实现的器件结构，简化为具有二维图案的单一结构层而实现。这种简化的设计便于制造和实际应用。
与传统的热辐射不同，该研究的一个主要重点是使热辐射具有圆偏振光的特性，其电场以旋转的方式振荡。最近的研究表明，分别以左旋和右旋的方式旋转的圆偏振光，可以朝相反的方向分离，但要进一步调控发射光的偏振似乎存在根本性的限制。
研究小组的新设计突破了这一限制，使圆偏振光的非对称发射朝向单一方向，展示了对热辐射的完全调控。
纽约城市大学研究生中心杰出教授、爱因斯坦物理学教授兼CUNY ASRC光子学计划创始主任Andrea Alù说：“定制光源是许多科学和技术应用不可或缺的一部分。构建具有所需光谱、偏振和空间特性的紧凑、轻质光源，对于需要便携性的应用（如空间技术、地质学和生物学实地研究以及军事行动）来说尤为重要。这项工作代表了实现这些能力所迈出的重要一步。”
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），从而有望增强另一种非常常见且廉价的光源，而这种光源一直以来都很难调控。
展望未来，研究团队的目标是将这些基本构件结合起来，实现更复杂的热辐射模式，例如将热辐射聚焦在器件上方的特定点，或者创建热辐射全息图。这些进展将彻底改变定制光源的设计和功能。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01763-6
