繼Nature后，時隔半年，魯俊博士再發Science封面論文！

【導讀】

納米結構材料可以設計成使傳播光子具有很強的橢圓性，隨著納米尺度光子學和手性光致發光和電致發光材料的快速發展，導致了在源圓偏振光（CPL）發射器的發展。然而，合成可以發射高強度和強偏振光的手性分子、聚合物和晶體一直具有挑戰性。可見光波長已經取得了進展，但這些材料通常依賴于稀土金屬，這引發了可持續性問題。進一步研究顯示，對于在800和1550 nm水透明窗口中運行的近紅外（NIR）設備，緊急電信設備、加密網絡、太空通信、機器人視覺系統、量子光學計算、個性化生物醫學技術和生物聚合物需要強大的CPL發射器傳感器。然而，NIR躍遷典型的振動態非常接近，大大加速了激發衰減，并阻止了高亮度和偏振各向異性。此外，基于低帶隙半導體的NIR CPL發射器還面臨額外的挑戰，包括對氧化的敏感性，克服這些限制需要對能夠發射光子的手性材料采用開箱即用的方式。天線亮度是手性材料和CPL發射器的另一個關鍵參數。盡管等離激元納米結構提供了有前途的光學偏振，但它們與高光損耗有關。黑體輻射（BBR）為緊密間隔的振動能級帶來的挑戰提供了另一種選擇。根據普朗克定律，所有量子態，即使是那些由亞電子伏特間隙分隔的量子態，都是BBR 活性的。然而，同一定律沒有考慮極化效應，且漲落-耗散定理明確禁止從二維 （2D）發射器產生圓偏振BBR（CP-BBR），這種幾何形狀通常用于發光器件和以前的CPL發射器實現。

【成果掠影】

在此，美國密西根大學Nicholas A. Kotov教授等人（通訊作者）、魯俊（第一作者）報道了細絲的螺旋幾何形狀、制造簡單性以及電控發射最大值使基于BBR的CPL發射器具有可調性，由納米碳或金屬具有扭曲幾何結構的納米結構纖維的BBR具有500到3000納米的強橢圓度，這些細絲的亞微米尺度的手性滿足波動耗散定理規定的維數要求，并根據基爾霍夫定律要求吸收率和發射率的對稱破缺。所得到的BBR顯示出的發射各向異性和亮度比傳統的手性光子發射器多出10到100倍。這些細絲的螺旋結構可以精確地實現手性發射的光譜調整，這可以用電磁原理和手性指標來建模。將納米碳細絲封裝在折射陶瓷中，可以產生高效、可調、耐用的手性發射器，能夠在以前認為無法實現的極端溫度下發揮作用。

相關研究成果以“Bright, circularly polarized black-body radiation from twisted nanocarbon filaments”為題發表在Science上。

【核心創新點】

1.由納米碳或金屬具有扭曲幾何結構的納米結構纖維的BBR具有500到3000納米的強橢圓度，這些細絲的亞微米尺度的手性滿足波動耗散定理規定的維數要求。

2.本文所得到的BBR顯示出的發射各向異性和亮度比傳統的手性光子發射器多出10到100倍。

3.納米碳細絲封裝在折射陶瓷中，可以產生高效、可調、耐用的手性發射器。

【數據概覽】

圖一、圓偏振的BBR?? 2024 AAAS

圖二、CP-BBR的角分布? 2024 AAAS

圖三、利用幾何參數對圓偏振的可調性評估? 2024 AAAS

圖四、具有CP-BBR的超高溫復合材料? 2024 AAAS

【成果啟示】

綜上所述，這篇文章設計并實現了具有高亮度和強偏振旋轉的發射器，其利用了由黑體的亞微米級手性決定的吸收率相等性。進一步經過徹底驗證的 CP-BBR機制可實現光譜特性的高度可預測性，并使CP-BBR發射器的工程設計變得簡單。更加重要的一點是，陶瓷納米顆粒燒結為手性碳陶瓷復合材料打開了方向，可以給予各種高溫物體CPL發射率，并在當前手性材料無法接近的極端條件下為CPL發射器提供材料平臺。

文獻鏈接：“Bright, circularly polarized black-body radiation from twisted nanocarbon filaments”（Science，2024，10.1126/science.adq4068）

本文由材料人CYM編譯供稿。