纳米超表面实现对热辐射精确调控

热超表面由玻璃（蓝色）和金属镜（金色）顶部的单层纳米结构硅（灰色）制成。纳米结构表面经过特殊定制，因此可以向所需方向热发射圆偏振光。图片来源：纽约市立大学

美国纽约市立大学研究人员通过实验证明，利用纳米技术构建的二维超表面，实现了对热辐射光学性质的精确调控。这项发表在新一期《自然·纳米技术》上的成果，为创造前所未有的定制光源铺平了道路，并将对一系列科技应用产生影响。

热辐射是一种由物质中热驱动的随机波动产生的电磁波，本质上具有宽带特性，包含多种颜色。白炽灯泡发出的光就是一个很好的例子。此外，热辐射还是非偏振的，由于其随机性而向所有方向扩散。这些特性限制了其在需要明确光特性应用中的适用性。相比之下，激光则以其明确的频率、极化和传播方向而闻名。

超表面提供了一种更实用的解决方案。它通过精心设计排列在表面的纳米柱形状来控制电磁波。通过改变这些结构，研究人员可控制光散射，以可定制的方式“塑造”光。然而，到目前为止，超表面主要被用于控制激光光源，而且需要笨重、昂贵的激发装置。

此前研究发现，适当设计的超表面可塑造其产生的热辐射，赋予其所需的特性，如明确的频率、定制的偏振，甚至能产生全息图所需的波前形状。他们预测，不同于传统超表面，精心设计的超表面能以创新的方式同时产生并精确控制其自身的热辐射。

研究人员通过将之前设想的设备架构简化为具有二维图案的单一结构层，实现了超表面的制作。这种流线型设计使得制造和实际应用变得更加容易。

常规热辐射是非偏振的，但该研究旨在赋予其圆偏振特性，即电场以旋转方式振荡。新设计使圆偏振光实现了单向不对称发射，从而达到了对热辐射的有效控制。

研究人员指出，定制光源在需要便携性的应用（如空间技术、地质学和生物学领域的野外研究以及军事行动）中尤其具有吸引力。