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】

、圓偏振的BBR?? 2024 AAAS

二、CP-BBR的角分布? 2024 AAAS

、利用幾何參數對圓偏振的可調性評估? 2024 AAAS

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 filamentsScience2024,10.1126/science.adq4068

本文由材料人CYM編譯供稿。

 

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