Onderzoekers tonen metasurfaces aan die thermische straling op ongekende manieren beheersen

Onderzoekers van het Advanced Science Research Center bij het CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) hebben experimenteel aangetoond dat metasurfaces (tweedimensionale materialen gestructureerd op nanoschaal) de optische eigenschappen van thermische straling die binnen de metasurface zelf wordt gegenereerd, nauwkeurig kunnen regelen. Dit baanbrekende werk, gepubliceerd in Natuur Nanotechnologiemaakt de weg vrij voor het creëren van op maat gemaakte lichtbronnen met ongekende mogelijkheden, die van invloed zijn op een breed scala aan wetenschappelijke en technologische toepassingen.

Thermische straling, een vorm van elektromagnetische golven die worden gegenereerd door door warmte aangestuurde willekeurige fluctuaties in materie, is van nature breedbandig en bestaat uit vele kleuren. Een goed voorbeeld is het licht dat wordt uitgezonden door een gloeilamp. Het is ook ongepolariseerd en verspreidt zich in alle richtingen vanwege de willekeur. Deze kenmerken beperken vaak het nut ervan in toepassingen die goed gedefinieerde lichteigenschappen vereisen. Daarentegen is laserlicht, bekend om zijn gedefinieerde frequentie, polarisatie en voortplantingsrichting, goed gedefinieerd, waardoor het van onschatbare waarde is voor veel belangrijke toepassingen in de moderne samenleving.

Metasurfaces bieden een oplossing voor een groter nut door elektromagnetische golven te controleren via nauwkeurig ontworpen vormen van nanopilaren die over hun oppervlakken zijn gerangschikt. Door deze structuren te variëren, kunnen onderzoekers controle krijgen over lichtverstrooiing, en licht effectief ‘vormen’ op aanpasbare manieren. Tot nu toe zijn metasurfaces echter alleen ontwikkeld om laserlichtbronnen te controleren, en ze vereisen omvangrijke, dure excitatie-opstellingen.

“Ons uiteindelijke doel is om metasurfacetechnologie mogelijk te maken die geen externe laserbronnen nodig heeft, maar nauwkeurige controle kan bieden over de manier waarop zijn eigen thermische straling wordt uitgezonden en zich voortplant”, aldus een van de hoofdauteurs van het artikel, Adam Overvig, voorheen postdoctoraal onderzoeker bij het Photonics Initiative van de CUNY ASRC en momenteel assistent-professor aan het Stevens Institute of Technology. “Ons werk is een belangrijke stap in deze zoektocht en biedt de basis voor een nieuwe klasse metasurfaces die geen externe laserbronnen nodig hebben, maar worden gevoed door interne onsamenhangende oscillaties van materie die worden aangestuurd door warmte.”

Ongekende controle over thermische straling

Het onderzoeksteam had eerder gepubliceerd theoretisch werk dat aantoont dat een goed ontworpen metasurface de thermische straling die het genereert, kan vormen, en gewenste kenmerken kan geven zoals gedefinieerde frequenties, aangepaste polarisatie en zelfs een gewenste golffrontvorm die in staat is een hologram te creëren. Deze studie voorspelde dat, in tegenstelling tot conventionele metasurfaces, een goed ontworpen metasurface zijn eigen thermische straling op nieuwe manieren kan produceren en regelen.

In de huidige doorbraak ging het team aan de slag om deze voorspellingen experimenteel te valideren en voort te bouwen op hun nieuwe functionaliteiten. Het metasurface werd bereikt door de eerder beoogde apparaatarchitectuur, elegant maar lastig te realiseren, te vereenvoudigen tot een enkele gestructureerde laag met een 2D-patroon. Dit gestroomlijnde ontwerp vergemakkelijkt de fabricage en praktische implementatie.

Terwijl conventionele thermische straling ongepolariseerd is, lag een belangrijke focus van het onderzoek op het mogelijk maken van thermische straling met circulair gepolariseerd licht, waarbij het elektrische veld op een roterende manier oscilleert. Recente werken hadden aangetoond dat tegengestelde circulaire polarisaties (respectievelijk roterend met links- en rechtshandige kenmerken) in tegengestelde richtingen konden worden gesplitst, maar er leek een fundamentele limiet te zijn om de polarisatie van uitgestraald licht verder te controleren.

Het nieuwe ontwerp van het team overstijgt deze beperking en maakt asymmetrische emissie van circulaire polarisatie in één richting mogelijk. Hiermee is volledige controle over thermische emissie mogelijk.

“Aangepaste lichtbronnen zijn integraal voor een aantal wetenschappelijke en technologische gebieden,” zei Andrea Alù, hoogleraar en Einstein Professor of Physics aan het City University of New York Graduate Center en oprichter van het CUNY ASRC Photonics Initiative. “Het vermogen om compacte, lichtgewicht bronnen te creëren met gewenste spectrale, polarisatie- en ruimtelijke kenmerken is met name aantrekkelijk voor toepassingen die draagbaarheid vereisen, zoals ruimtegebaseerde technologie, veldonderzoek in geologie en biologie en militaire operaties. Dit werk vertegenwoordigt een belangrijke stap in de richting van het realiseren van deze mogelijkheden.”

Het team merkte op dat de principes die in hun huidige werk zijn toegepast, kunnen worden uitgebreid naar lichtgevende diodes (LED’s), wat de potentie heeft om een ​​andere veelvoorkomende en goedkope lichtbron te verbeteren, die notoir moeilijk te controleren is.

Vooruitkijkend wil het onderzoeksteam deze bouwstenen combineren om complexere thermische emissiepatronen te bereiken, zoals het focussen van thermische emissie op een specifiek punt boven het apparaat of het creëren van een thermisch hologram. Dergelijke ontwikkelingen kunnen het ontwerp en de functionaliteit van aangepaste lichtbronnen revolutioneren.