在此，美國密西根大學Nicholas A. Kotov院士和魯俊博士等人發(fā)現(xiàn)與其他手性發(fā)射器不同，這些黑體發(fā)射器沒有振動態(tài)限制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高亮度。自具有扭曲幾何結(jié)構(gòu)的納米碳或金屬納米結(jié)構(gòu)絲的BBR在500至3000納米范圍內(nèi)具有強烈的橢圓偏振性，這些絲的亞微米尺度手性滿足了漲落–耗散定理所施加的維度要求，并需要根據(jù)基爾霍夫定律在吸收率和發(fā)射率之間打破對稱性。
相關(guān)文章以“Bright, circularly polarized black-body radiation from twisted nanocarbon filaments”為題發(fā)表在Science上，這也是魯俊博士四年內(nèi)刊發(fā)的第四篇正刊！
研究背景納米結(jié)構(gòu)材料可以被設(shè)計成賦予傳播光子強烈的橢圓偏振性。納米尺度光子學的快速發(fā)展以及手性光和電致發(fā)光材料導(dǎo)致了源極圓偏振光（CPL）發(fā)射器的發(fā)展。然而，合成能夠發(fā)射高強度和強偏振光的手性分子、聚合物和晶體一直是一個挑戰(zhàn)。在可見波長方面已經(jīng)取得了進展，但這些材料通常依賴于稀土金屬，引發(fā)了可持續(xù)性問題。對于在800納米和1550納米水透明窗口運行的近紅外（NIR）設(shè)備，需要強大的CPL發(fā)射器用于新興的電信設(shè)備、加密網(wǎng)絡(luò)、空間通信、機器人視覺系統(tǒng)、量子光學計算、個性化生物醫(yī)學技術(shù)和生物聚合物傳感器。然而，近紅外躍遷典型的振動電子態(tài)的接近程度大大加速了激發(fā)衰減，阻止了高亮度和偏振各向異性的實現(xiàn)。此外，基于低帶隙半導(dǎo)體的近紅外CPL發(fā)射器，如硒化鎘，面臨額外的挑戰(zhàn)，包括易氧化。克服這些限制需要對手性材料的創(chuàng)新方法，這些材料能夠發(fā)射光子。光發(fā)射各向異性因子，如glum（表征發(fā)光的橢圓偏振性）及其對應(yīng)物gem（em，發(fā)射），量化了發(fā)光和散射的累積效應(yīng)，是CPL材料的關(guān)鍵指標。盡管稀土配合物表現(xiàn)出高glum值（0.1到1之間），源于與f電子態(tài)的大自旋–軌道耦合，但地球含量豐富的材料的典型各向異性因子值在10-5到10-2之間。用于可見光發(fā)射設(shè)備需要gem值在0.1到1.9之間。相比之下，針對近紅外區(qū)域應(yīng)用的材料表現(xiàn)出更小的gem值和發(fā)光量子產(chǎn)率。快速的熱弛豫率和嚴格的對稱性限制加劇了這個問題，通常使它們不活躍于CPL。空中亮度是手性材料和CPL發(fā)射器的另一個關(guān)鍵參數(shù)，盡管等離子體納米結(jié)構(gòu)提供了有希望的光學偏振，但它們與高光學損失相關(guān)。它們在可見區(qū)域的典型亮度值在10-7到10-2?W/cm2之間，近紅外CPL發(fā)射器的可比數(shù)據(jù)尚未報告。研究內(nèi)容黑體輻射（BBR）提供了一個替代方案，以應(yīng)對緊密間隔的振動電子態(tài)帶來的挑戰(zhàn)。根據(jù)普朗克定律，所有量子態(tài)，即使是那些由亞電子伏特間隙分隔的態(tài)，都是BBR活躍的。然而，同一定律并沒有考慮偏振效應(yīng)，認為它們微不足道，這對于通常在這一法律框架內(nèi)考慮的大球形體來說是正確的。此外，漲落–耗散定理特別禁止從二維（2D）發(fā)射器產(chǎn)生圓偏振BBR（CP-BBR），這是一種常用于發(fā)光設(shè)備和先前CPL發(fā)射器實現(xiàn)的幾何形狀。本文假設(shè)3D扭曲絲可能作為強大的CPL活躍BBR發(fā)射器，其在納米和亞微米尺度上的總體鏡像不對稱性，而不是量子態(tài)的不對稱性，將決定熱輻射的圓偏振。研究顯示，由碳納米管（CNT）紗線組成的扭曲絲以及扭曲的鎢絲，產(chǎn)生跨越可見光、近紅外和中紅外范圍的CPL，具有非凡的亮度和高gem值。絲的螺旋幾何形狀、制造的簡單性以及它們電控發(fā)射最大值的可調(diào)性，使得基于BBR的CPL發(fā)射器可調(diào)諧。圖1：扭曲絲的圓偏振BBR。圖2：圓偏振黑體輻射（CP-BBR）的角分布。圖3：通過幾何參數(shù)調(diào)節(jié)圓偏振的可調(diào)性。圖4：具有CP-BBR的超高溫度復(fù)合材料。總的來說，本文設(shè)計并實現(xiàn)了具有高亮度和強烈的偏振旋轉(zhuǎn)的發(fā)射器，這些發(fā)射器覆蓋了從可見光、近紅外到紅外光譜的部分，利用了由黑體亞微米級手性決定的吸收率相等性。研究顯示，經(jīng)過徹底驗證的圓偏振黑體輻射（CP-BBR）機制，導(dǎo)致了光譜特性的高可預(yù)測性以及圓偏振黑體輻射發(fā)射器的工程簡單性。將扭曲的絲與陶瓷納米顆粒燒結(jié)，為一系列手性碳–陶瓷復(fù)合材料打開了大門。這些材料能夠為廣泛的高溫物體賦予圓偏振光（CPL）發(fā)射率，并為極端條件下的CPL發(fā)射器提供了一個材料平臺，這是當前手性材料無法達到的。文獻信息Jun Lu, Hong Ju Jung, Ji-Young Kim, Nicholas A. Kotov*,?Bright, circularly polarized black-body radiation from twisted nanocarbon filaments, Science,
