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院高级科学研究中心 (CUNY ASRC) 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内部产生的热辐射的光学特性。这项开创性的研究发表在《自然纳米技术》上，为创建具有前所未有功能的定制光源铺平了道路，影响了广泛的科学和技术应用。

热辐射是一种由物质中热量驱动的随机波动产生的电磁波，其本质上是宽带的，由多种颜色组成。白炽灯发出的光就是一个很好的例子。它也是非偏振的，由于其随机性，它会向四面八方扩散。这些特性通常会限制其在需要明确光属性的应用中的实用性。相比之下，以明确的频率、偏振和传播方向而闻名的激光是明确的，这使得它对现代社会的许多关键应用都具有无价的价值。

超表面提供了一种更实用的解决方案，它通过精心设计排列在表面的纳米柱形状来控制电磁波。通过改变这些结构，研究人员可以控制光散射，有效地以可定制的方式“塑造”光。然而，到目前为止，超表面仅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超表面技术，这种技术不需要外部激光源，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亚当·奥维格 (Adam Overvig) 说道，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，为一种新型超表面奠定了基础，这种超表面不需要外部激光源，而是由热量驱动的内部非相干物质振荡提供能量。”

对热辐射的控制达到前所未有的水平

该研究团队此前曾发表过理论研究成果，表明经过适当设计的超表面可以塑造其产生的热辐射，赋予其理想的特性，例如定义的频率、自定义偏振，甚至是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颖的方式产生和控制其自身的热辐射。

在目前的突破中，该团队着手通过实验验证这些预测并在此基础上开发新功能。超表面是通过将之前设想的设备架构简化为具有 2D 图案的单个结构层而实现的，这种简化的设计有助于更轻松地制造和实际实施。

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(分别以左手和右手特征旋转)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根本限制。

该团队的新设计超越了这一限制，允许朝单一方向进行圆偏振的不对称发射，从而展示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 光子学计划创始主任 Andrea Alù 表示：“定制光源是许多科学和技术领域不可或缺的一部分。能够创建具有所需光谱、偏振和空间特征的紧凑、轻便光源对于需要便携性的应用尤其有吸引力，例如太空技术、地质和生物学实地研究以及军事行动。这项工作代表着朝着实现这些能力迈出了重要一步。”

研究团队指出，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但难以控制的光源。

展望未来，研究团队的目标是将这些构建模块结合起来，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。

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