Forscher demonstrieren Metaoberflächen, die die Wärmestrahlung auf neuartige Weise steuern

Forscher am CUNY Graduate Center for Advanced Science Research (CUNY ASRC) haben experimentell gezeigt, dass Metaoberflächen (zweidimensionale Materialien mit Nanostruktur) die optischen Eigenschaften der in der Metaoberfläche selbst erzeugten Wärmestrahlung präzise steuern können. Diese bahnbrechende Arbeit, veröffentlicht in Natürliche Nanotechnologieebnet den Weg für die Entwicklung maßgeschneiderter Lichtquellen mit beispiellosen Fähigkeiten, die sich auf ein breites Spektrum wissenschaftlicher und technologischer Anwendungen auswirken.

Wärmestrahlung, eine Form elektromagnetischer Wellen, die durch zufällige Schwankungen der Materie aufgrund von Wärme erzeugt wird, ist von Natur aus breitbandig und besteht aus vielen Farben. Ein gutes Beispiel ist das Licht einer Glühbirne. Aufgrund seiner zufälligen Natur ist es auch nicht polarisiert und breitet sich in alle Richtungen aus. Diese Eigenschaften schränken häufig den Nutzen bei Anwendungen ein, die genau definierte Lichteigenschaften erfordern. Im Gegensatz dazu ist Laserlicht, das für seine definierte Frequenz, Polarisation und Ausbreitungsrichtung bekannt ist, gut definiert, was es für viele Schlüsselanwendungen in der modernen Gesellschaft von unschätzbarem Wert macht.

Metaoberflächen bieten eine effizientere Lösung, indem sie elektromagnetische Wellen durch sorgfältig gestaltete Nanosäulenformen steuern, die auf ihrer Oberfläche angeordnet sind. Durch Variation dieser Strukturen können Forscher die Lichtstreuung steuern und so das Licht effektiv und individuell „formen“. Bisher wurden Metaoberflächen jedoch nur zur Steuerung von Laserlichtquellen entwickelt und erfordern große und teure Anregungsaufbauten.

„Unser ultimatives Ziel ist die Entwicklung einer Metaoberflächentechnologie, die keine externen Laserquellen erfordert, sondern eine präzise Kontrolle darüber ermöglicht, wie ihre eigene Wärmestrahlung emittiert und ausgebreitet wird“, sagte einer der Hauptautoren der Studie, Adam Overvig, ein ehemaliger Postdoktorand CUNYs ASRC Photonics Initiative und derzeit Assistenzprofessor am Stevens Institute of Technology. „Unsere Arbeit stellt einen wichtigen Schritt auf diesem Weg dar und legt den Grundstein für eine neue Klasse von Metaoberflächen, die keine externen Laserquellen benötigen, sondern durch interne inkohärente Schwingungen der Materie, die durch Wärme verursacht werden, angetrieben werden.“ »

Beispiellose Kontrolle der Wärmestrahlung

Das Forschungsteam hatte zuvor theoretische Arbeiten veröffentlicht, die zeigten, dass eine richtig gestaltete Metaoberfläche die von ihr erzeugte Wärmestrahlung formen und ihr gewünschte Eigenschaften wie definierte Frequenzen, individuelle Polarisation und sogar die gewünschte Frontform verleihen kann, die ein Hologramm erzeugen kann. Diese Studie prognostiziert, dass eine richtig gestaltete Metaoberfläche im Gegensatz zu herkömmlichen Metaoberflächen ihre eigene Wärmestrahlung auf innovative Weise erzeugen und steuern könnte.

In diesem Vorfeld machte sich das Team daran, diese Vorhersagen experimentell zu validieren und ihre neuen Funktionalitäten zu entwickeln. Die Metaoberfläche wurde durch die Vereinfachung der zuvor betrachteten Gerätearchitektur, die zwar elegant, aber schwer zu erreichen ist, in eine einzelne Schicht mit einer 2D-Musterstruktur erhalten. Dieses vereinfachte Design erleichtert die Herstellung und die praktische Umsetzung.

Während herkömmliche Wärmestrahlung nicht polarisiert ist, bestand ein wichtiges Ziel der Forschung darin, Wärmestrahlung mit zirkular polarisiertem Licht zu ermöglichen, bei dem das elektrische Feld rotatorisch oszilliert. Jüngste Arbeiten haben gezeigt, dass entgegengesetzte zirkulare Polarisationen (rotierend mit Links- bzw. Rechtscharakteristik) in entgegengesetzte Richtungen aufgespalten werden können, es schien jedoch eine grundsätzliche Grenze für die weitere Steuerung der Polarisation des emittierten Lichts zu geben.

Das neue Design des Teams überwindet diese Einschränkung und ermöglicht eine asymmetrische Emission zirkularer Polarisation in eine einzige Richtung und demonstriert so die vollständige Kontrolle über die thermische Emission.

„Maßgeschneiderte Lichtquellen sind für viele Bereiche der Wissenschaft und Technologie von entscheidender Bedeutung“, sagte Andrea Alù, emeritierte Professorin und Einstein-Professorin für Physik am Graduate Center der City University of New York und Gründungsdirektorin der CUNY ASRC Photonics Initiative. „Die Fähigkeit, kompakte, leichte Quellen mit den gewünschten Spektral-, Polarisations- und räumlichen Eigenschaften zu schaffen, ist besonders überzeugend für Anwendungen, die Portabilität erfordern, wie z. B. Weltraumtechnologie, Feldforschung in Geologie und Biologie sowie militärische Operationen.“ Diese Arbeit stellt einen wichtigen Schritt zur Verwirklichung dieser Fähigkeiten dar. »

Das Team stellte fest, dass die in ihrer aktuellen Arbeit angewandten Prinzipien auf Leuchtdioden (LEDs) ausgeweitet werden können, mit dem Potenzial, eine weitere sehr verbreitete und kostengünstige Lichtquelle zu verbessern, die bekanntermaßen schwer zu kontrollieren ist.

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