Forscher demonstrieren Metaoberflächen, die die Wärmestrahlung auf beispiellose Weise steuern

Forscher des Advanced Science Research Center am CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) haben experimentell nachgewiesen, dass Metaoberflächen (zweidimensionale Materialien mit Nanostruktur) die optischen Eigenschaften der innerhalb der Metaoberfläche selbst erzeugten Wärmestrahlung präzise steuern können. Diese Pionierarbeit, veröffentlicht In Natur Nanotechnologieebnet den Weg für die Entwicklung maßgeschneiderter Lichtquellen mit beispiellosen Möglichkeiten und hat Auswirkungen auf ein breites Spektrum wissenschaftlicher und technologischer Anwendungen.

Thermische Strahlung – eine Form elektromagnetischer Wellen, die durch wärmebedingte zufällige Schwankungen in Materie erzeugt werden – ist von Natur aus breitbandig und besteht aus vielen Farben. Ein gutes Beispiel ist das von einer Glühbirne ausgestrahlte Licht. Es ist außerdem unpolarisiert und breitet sich aufgrund seiner Zufälligkeit in alle Richtungen aus. Diese Eigenschaften schränken seine Nützlichkeit oft in Anwendungen ein, die wohldefinierte Lichteigenschaften erfordern. Im Gegensatz dazu ist Laserlicht, das für seine definierte Frequenz, Polarisation und Ausbreitungsrichtung bekannt ist, wohldefiniert, was es für viele wichtige Anwendungen der modernen Gesellschaft von unschätzbarem Wert macht.

Metaoberflächen bieten eine Lösung für einen größeren Nutzen, indem sie elektromagnetische Wellen durch sorgfältig konstruierte Formen von Nanosäulen steuern, die über ihre Oberflächen angeordnet sind. Durch Variation dieser Strukturen können Forscher die Lichtstreuung steuern und Licht effektiv auf anpassbare Weise „formen“. Bisher wurden Metaoberflächen jedoch nur zur Steuerung von Laserlichtquellen entwickelt und erfordern sperrige, teure Anregungsaufbauten.

„Unser ultimatives Ziel ist es, eine Metaoberflächentechnologie zu ermöglichen, die keine externen Laserquellen benötigt, sondern eine präzise Kontrolle über die Art und Weise bietet, wie ihre eigene Wärmestrahlung emittiert und verbreitet wird“, sagte einer der Hauptautoren des Artikels, Adam Overvig, früher Postdoktorand bei der Photonics Initiative des CUNY ASRC und derzeit Assistenzprofessor am Stevens Institute of Technology. „Unsere Arbeit ist ein wichtiger Schritt auf diesem Weg und legt den Grundstein für eine neue Klasse von Metaoberflächen, die keine externen Laserquellen benötigen, sondern durch interne inkohärente, durch Wärme angetriebene Materieschwingungen gespeist werden.“

Beispiellose Kontrolle über Wärmestrahlung

Das Forschungsteam hatte zuvor veröffentlicht Theoretische Arbeiten zeigen, dass eine richtig gestaltete Metaoberfläche die von ihr erzeugte Wärmestrahlung formen und ihr wünschenswerte Eigenschaften verleihen kann, wie definierte Frequenzen, benutzerdefinierte Polarisation und sogar eine gewünschte Wellenfrontform, die ein Hologramm erzeugen kann. Diese Studie sagte voraus, dass eine entsprechend konstruierte Metaoberfläche im Gegensatz zu herkömmlichen Metaoberflächen ihre eigene Wärmestrahlung auf neuartige Weise erzeugen und steuern könnte.

Mit dem aktuellen Durchbruch wollte das Team diese Vorhersagen experimentell bestätigen und auf ihren neuen Funktionalitäten aufbauen. Die Metaoberfläche wurde erreicht, indem die zuvor geplante Gerätearchitektur, die elegant, aber schwierig zu realisieren war, auf eine einzige strukturierte Schicht mit einem 2D-Muster vereinfacht wurde. Dieses optimierte Design erleichtert die Herstellung und praktische Umsetzung.

Während herkömmliche Wärmestrahlung unpolarisiert ist, lag ein wesentlicher Forschungsschwerpunkt auf der Ermöglichung von Wärmestrahlung mit zirkular polarisiertem Licht, bei dem das elektrische Feld rotierend oszilliert. Neuere Arbeiten hatten gezeigt, dass entgegengesetzte zirkulare Polarisationen (rotierend mit links- bzw. rechtshändigen Merkmalen) in entgegengesetzte Richtungen aufgespalten werden können, es schien jedoch eine grundlegende Grenze für die weitere Kontrolle der Polarisation des emittierten Lichts zu geben.

Das neue Design des Teams überwindet diese Einschränkung, indem es eine asymmetrische Emission zirkularer Polarisation in eine einzige Richtung ermöglicht und so die vollständige Kontrolle über die Wärmeemission bietet.

„Individuelle Lichtquellen sind für eine Reihe von wissenschaftlichen und technologischen Bereichen unverzichtbar“, sagte Andrea Alù, angesehener Professor und Einstein-Professor für Physik am Graduiertenzentrum der City University of New York und Gründungsdirektor der CUNY ASRC Photonics Initiative. „Die Möglichkeit, kompakte, leichte Quellen mit den gewünschten spektralen, polarisierten und räumlichen Eigenschaften zu schaffen, ist besonders attraktiv für Anwendungen, die Portabilität erfordern, wie etwa weltraumgestützte Technologie, Feldforschung in Geologie und Biologie und militärische Operationen. Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Schritt zur Realisierung dieser Möglichkeiten dar.“

Das Team stellte fest, dass die in ihrer aktuellen Arbeit angewandten Prinzipien auf Leuchtdioden (LEDs) ausgeweitet werden können und damit das Potenzial haben, eine weitere sehr verbreitete und billige Lichtquelle zu verbessern, die bekanntermaßen schwer zu steuern ist.

In Zukunft möchte das Forschungsteam diese Bausteine ​​kombinieren, um komplexere Wärmeemissionsmuster zu erzielen, beispielsweise die Fokussierung der Wärmeemission auf einen bestimmten Punkt über dem Gerät oder die Erstellung eines thermischen Hologramms. Solche Fortschritte könnten das Design und die Funktionalität kundenspezifischer Lichtquellen revolutionieren.