CUNY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。

他们最新的研究展示了这些二维材料如何控制热辐射以产生可定制的光源，这可能会影响到从军事行动到空间技术的各种应用。

光控领域的突破性进展

研究人员在纽约市立大学研究生中心（CUNY ASRC）先进科学研究中心取得了一项突破性进展，他们通过实验证明，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。这项开创性的工作发表在《自然·纳米技术》杂志上，为创造具有前所未有功能的定制光源铺平了道路，对一系列科学和技术应用产生了影响。

热辐射——由物质中热驱动随机波动产生的电磁波的一种形式——本质上具有宽带特性，由多种颜色组成。白炽灯泡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传播。这些特性往往限制了它在需要明确定义的光学特性的应用中的实用性。相比之下，激光以其定义的频率、极化和传播方向而闻名，具有明确定义的特性，这使得它在现代社会的许多关键应用中具有不可估量的价值。

用超表面塑造光

超表面通过在其表面上精心设计的纳米柱形状来控制电磁波，从而提供了一种提高实用性的解决方案。通过改变这些结构，研究人员可以控制光的散射，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光源，并且它们需要庞大且昂贵的激发装置。

这篇论文的主要作者之一、曾任纽约市立大学高级研究合作中心光子学计划博士后研究员、现任史蒂文斯理工学院助理教授的亚当·奥弗维格表示：“我们的最终目标是实现一种超表面技术，该技术无需外部激光源，但能够精确控制其自身热辐射的发射和传播方式。”“我们的工作是实现这一目标的重要一步，为新一代超表面奠定了基础，这种超表面不需要外部激光源，而是由热量驱动的物质内部非相干振荡提供能量。”

革新热辐射控制

研究团队之前发表过理论性工作，表明设计合理的超表面可以塑造其产生的热辐射，赋予其特定的频率、定制偏振，甚至产生全息图所需的波前形状等理想特性。这项研究预测，与常规超表面不同，设计合理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，研究团队着手通过实验验证这些预测，并在此基础上建立新的功能。超表面是通过简化先前设想的设备架构来实现的，该架构优雅但难以实现，简化为具有二维图案的单一结构层。这种流线型设计有助于更轻松地制造和实际应用。

虽然传统的热辐射是非极化的，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性旋转）可以分成相反的方向，但似乎存在一个基本的限制，无法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，允许向单一方向不对称发射圆偏振光，从而实现对热辐射的完全控制。

定制光源与未来前景

“定制光源是许多科学技术领域不可或缺的一部分，”纽约市立大学研究生中心杰出教授、爱因斯坦物理学教授兼纽约市立大学先进科学研究中心光子学计划创始主任安德烈亚·阿卢说。“创建具有所需光谱、极化和空间特征的紧凑、轻便光源的能力对于需要便携性的应用（如空间技术、地质学和生物学领域的现场研究以及军事行动）尤其具有吸引力。这项工作标志着在实现这些能力方面迈出了重要一步。”

该团队指出，他们目前工作中应用的原则可以扩展到发光二极管（LED），从而有可能改善另一种非常常见且廉价的光源，而这种光源一直难以控制。

展望未来，研究团队的目标是结合这些基本构件，实现更复杂的热辐射模式，如将热辐射聚焦到设备上方的特定点或创建热全息图。这些进步可能会彻底改变定制光源的设计和功能。

本研究得到了国防部万尼瓦尔·布什教授奖学金、西蒙斯基金会和美国空军科学研究办公室多用途大学研究计划的支持。

参考：“热超表面的极化和几何相位局部控制”由 J. Ryan Nolen、Adam C. Overvig、Michele Cotrufo 和 Andrea Alù 发表，2024 年 8 月 23 日，《自然·纳米技术》。 DOI: 10.1038/s41565-024-01763-6