НОВОСТИ: IT-технологии | Наука | Образование

Превращение тепла в индивидуальный свет с помощью передовых нанотехнологий

2024-08-27 19:46 Научные исследования Техно-тренды
Исследователи из Центра аспирантуры Городского университета Нью-Йорка добились значительных успехов в управлении оптическими свойствами теплового излучения с использованием метаповерхностей.
Их последнее исследование демонстрирует, как эти двумерные материалы могут управлять тепловым излучением для создания настраиваемых источников света, которые могут оказать влияние на целый ряд приложений — от военных операций до космических технологий.

Революционные достижения в управлении светом

В революционном прорыве исследователи из Центра передовых научных исследований в аспирантуре CUNY (CUNY ASRC) экспериментально продемонстрировали, что метаповерхности (двумерные материалы, структурированные в наномасштабе ) могут точно контролировать оптические свойства теплового излучения, генерируемого внутри самой метаповерхности. Эта новаторская работа, опубликованная в Nature Nanotechnology , прокладывает путь к созданию пользовательских источников света с беспрецедентными возможностями, влияющими на широкий спектр научных и технологических приложений.

Тепловое излучение — форма электромагнитных волн, генерируемых случайными флуктуациями в веществе, вызванными тепловым излучением, — по своей природе является широкополосным и состоит из множества цветов. Хорошим примером является свет, излучаемый лампой накаливания. Он также неполяризован и распространяется во всех направлениях из-за своей хаотичности. Эти характеристики часто ограничивают его полезность в приложениях, требующих четко определенных свойств света. Напротив, лазерный свет, известный своей определенной частотой, поляризацией и направлением распространения, четко определен, что делает его бесценным для многих ключевых приложений современного общества.

Формирование света с помощью метаповерхностей

Метаповерхности предлагают решение для большей полезности, управляя электромагнитными волнами посредством тщательно спроектированных форм наностолбиков, которые выстроены по их поверхностям. Изменяя эти структуры, исследователи могут добиться контроля над рассеиванием света, эффективно «формируя» свет настраиваемыми способами. Однако до сих пор метаповерхности были разработаны только для управления источниками лазерного света, и для них требуются громоздкие и дорогие установки инициализации.
«Наша конечная цель — обеспечить технологию метаповерхностей, которая не требует внешних лазерных источников, но может обеспечить точный контроль над тем, как испускается и распространяется ее собственное тепловое излучение», — сказал один из ведущих авторов статьи Адам Овервиг, бывший научный сотрудник с докторской степенью в рамках инициативы по фотонике CUNY ASRC, а в настоящее время доцент Технологического института Стивенса. «Наша работа является важным шагом в этом поиске, обеспечивая основу для нового класса метаповерхностей, которые не требуют внешних лазерных источников, но питаются внутренними некогерентными колебаниями материи, вызванными теплом».

Революция в контроле теплового излучения

Исследовательская группа ранее опубликовала теоретическую работу, показывающую, что правильно спроектированная метаповерхность может формировать тепловое излучение, которое она генерирует, придавая желаемые характеристики, такие как определенные частоты, пользовательскую поляризацию и даже желаемую форму волнового фронта, способную создавать голограмму. Это исследование предсказало, что, в отличие от обычных метаповерхностей, надлежащим образом спроектированная метаповерхность может как производить, так и контролировать собственное тепловое излучение новыми способами.

В настоящем прорыве команда приступила к экспериментальной проверке этих прогнозов и созданию новых функций. Метаповерхность была получена путем упрощения ранее задуманной архитектуры устройства, элегантной, но сложной для реализации, до одного структурированного слоя с 2D-шаблоном. Эта оптимизированная конструкция облегчает изготовление и практическую реализацию.

В то время как обычное тепловое излучение неполяризовано, значительная часть исследований была направлена ​​на обеспечение теплового излучения с круговой поляризацией света, где электрическое поле колеблется вращательным образом. Недавние работы показали, что противоположные круговые поляризации (вращающиеся соответственно с левыми и правыми характеристиками) могут быть разделены на противоположные направления, но, по-видимому, существует фундаментальный предел для дальнейшего управления поляризацией излучаемого света. Новая конструкция команды преодолевает это ограничение, позволяя асимметричное излучение круговой поляризации в одном направлении, демонстрируя полный контроль над тепловым излучением.

Индивидуальные источники света и перспективы на будущее

« Индивидуальные источники света являются неотъемлемой частью ряда научных и технологических областей», — сказал Андреа Алу, выдающийся профессор и профессор физики имени Эйнштейна в аспирантуре Городского университета Нью-Йорка и директор-основатель инициативы CUNY ASRC Photonics. «Возможность создания компактных, легких источников с желаемыми спектральными, поляризационными и пространственными характеристиками особенно привлекательна для приложений, требующих портативности, таких как космические технологии, полевые исследования в области геологии и биологии, а также военные операции. Эта работа представляет собой значительный шаг на пути к реализации этих возможностей».
Группа отметила, что принципы, применяемые в их текущей работе, могут быть распространены на светодиоды (LED), что потенциально может улучшить еще один очень распространенный и дешевый источник света, который, как известно, трудно контролировать.

Заглядывая вперед, исследовательская группа намерена объединить эти строительные блоки для достижения более сложных моделей теплового излучения, таких как фокусировка теплового излучения в определенной точке над устройством или создание тепловой голограммы. Такие достижения могут произвести революцию в дизайне и функциональности пользовательских источников света.
Источник: Scitechdaily | Теги: тепло, свет, нанотехнологии