紐約市立大學研究生中心高級科學研究中心 (CUNY ASRC) 的研究人員透過實驗證明，超表面（奈米級結構的二維材料）可以精確控制超表面本身產生的熱輻射的光學特性。這項開創性的工作發表於 自然奈米科技，為創建具有前所未有的功能的定制光源鋪平了道路，影響了廣泛的科學和技術應用。

熱輻射是由熱驅動的物質隨機波動產生的電磁波的一種形式，本質上是寬頻的，由多種顏色組成。一個很好的例子是白熾燈泡發出的光。它也是非極化的，並且由於其隨機性而向各個方向擴散。這些特性通常限制了其在需要明確光屬性的應用上的實用性。相較之下，雷射以其明確的頻率、偏振和傳播方向而聞名，其定義明確，使其對於現代社會的許多關鍵應用具有無價的價值。

超穎表面透過精心設計的排列在其表面的奈米柱形狀來控制電磁波，從而提供了一種具有更大實用性的解決方案。透過改變這些結構，研究人員可以實現對光散射的控制，以可自訂的方式有效地「塑造」光。然而，到目前為止，超表面僅被開發用於控制雷射光源，並且它們需要龐大且昂貴的激發裝置。

論文的主要作者之一 Adam Overvig 表示：「我們的最終目標是實現不需要外部雷射光源的超表面技術，但可以精確控制其自身熱輻射的發射和傳播方式。」紐約市立大學ASRC 光子學計劃的負責人，目前是史蒂文斯理工學院的助理教授。 “我們的工作是這一探索的重要一步，為新型超表面提供了基礎，這種超表面不需要外部激光源，而是由熱驅動的物質內部非相干振盪提供能量。”

對熱輻射的前所未有的控制

研究團隊先前發表的理論工作表明，正確設計的超表面可以塑造其產生的熱輻射，賦予所需的特徵，例如定義的頻率、定制的偏振，甚至能夠創建全息圖的所需波前形狀。這項研究預測，與傳統的超表面不同，經過適當設計的超表面可以以新穎的方式產生和控制其自身的熱輻射。

在目前的突破中，團隊著手透過實驗驗證這些預測並建立其新功能。超表面是透過將先前設想的設備架構簡化為具有 2D 圖案的單一結構化層來實現的，這種架構優雅但實現起來具有挑戰性。這種簡化的設計有利於更容易的製造和實際實施。

雖然傳統的熱輻射是非偏振的，但研究的一個重要焦點是利用圓偏振光來實現熱輻射，其中電場以旋轉方式振盪。最近的研究表明，相反的圓偏振（分別以左手和右手特徵旋轉）可以分成相反的方向，但進一步控制發射光的偏振似乎存在根本限制。

該團隊的新設計超越了這一限制，允許朝單一方向不對稱地發射圓偏振，從而展示了對熱發射的完全控制。

紐約市立大學研究生中心傑出教授、愛因斯坦物理學教授、紐約市立大學 ASRC 光子學計劃創始主任 Andrea Alù 表示：“定制光源是許多科學和技術領域不可或缺的一部分。” 「創建具有所需光譜、偏振和空間特徵的緊湊、輕型光源的能力對於需要便攜性的應用尤其引人注目，例如天基技術、地質和生物學現場研究以及軍事行動。這項工作代表了重要的一步實現這些能力。

團隊指出，他們目前工作中應用的原理可以擴展到發光二極體（LED），有可能增強另一種非常常見且廉價的光源，但眾所周知，這種光源很難控制。

展望未來，研究團隊的目標是將這些建造模組結合起來，以實現更複雜的熱發射模式，例如將熱發射聚焦在設備上方的特定點上或創建熱全息圖。這些進步可能會徹底改變客製化光源的設計和功能。