Science：扭曲纳米碳纤维实现明亮的圆偏振黑体辐射

摘要

摘要图
本研究展示了一种基于扭曲纳米碳纤维的强圆偏振黑体辐射（CP-BBR）。通过引入亚微米尺度的手性几何结构，满足了黑体辐射的维度需求并打破了吸收率与发射率的对称性，产生从 500 至 3000 纳米的高强度圆偏振辐射。结果表明，这种光源在亮度和发射各向异性上超越了传统手性发光材料数十到数百倍。此外，通过在碳纤维表面包覆陶瓷材料，可实现耐高温、可调节且稳定的发光特性，为在极端条件下应用提供了高效的手性光发射解决方案。

关键词

  • 扭曲纳米碳纤维（Twisted Nanocarbon Filaments）
  • 圆偏振黑体辐射（Circularly Polarized Black-Body Radiation, CP-BBR）
  • 黑体辐射（Black-Body Radiation, BBR）
  • 纳米结构手性（Nanoscale Chirality）
  • 红外圆偏振光源（Infrared Circularly Polarized Light Emitters）
  • 高温复合材料（High-Temperature Composites）
  • 光学异质性（Optical Anisotropy）

研究背景

黑体辐射理论是基于普朗克定律，其传统上忽略了光偏振的可能性。然而，现代光学器件对圆偏振光源的需求日益增加，特别是在红外光通信、生物医学成像和量子光学计算等领域。现有技术多依赖稀有金属和复杂分子，导致其可持续性受到限制，同时在高温条件下效率明显降低。基于纳米碳纤维的高温耐受性及其优异的电子导电性，本研究通过扭曲几何设计，开发了具有显著光学手性的圆偏振黑体发光器件，为新一代高性能光学材料提供了创新方向。

创新点

  • 提出了利用纳米结构手性实现圆偏振黑体辐射的新理论。
  • 开发了通过扭曲几何结构控制发射特性的纳米碳纤维光源。
  • 实现了远超传统手性光发射器件亮度和发射效率的圆偏振光源。
  • 设计了兼具高温耐受性和光学可调性的碳-陶瓷复合材料。
  • 在极端温度条件下保持了稳定的发光性能。

研究内容

本文基于扭曲的碳纳米管（CNT）纤维，构建了可在从 500 纳米到 3000 纳米波长范围内实现圆偏振黑体辐射（CP-BBR）的发射器件。通过改变纤维的扭曲角度与直径，控制其几何手性及发射光的偏振特性。实验发现，右旋（RH）纤维显示左圆偏振（LH）特性，反之亦然。同时，通过有限差分时域（FDTD）计算，验证了基于吸收-发射对称性破缺的理论预测。此外，通过与陶瓷材料的复合，将器件的工作温度扩展至 1300oC，并在此条件下实现了稳定的圆偏振发光。本研究还通过实验和计算探索了几何参数（如螺距和直径）对发光偏振性的影响，提出了可精确调控发射特性的材料设计准则。

图1
图1 | 扭曲碳纳米管(CNT)纤维的圆偏振黑体辐射(CP-BBR)。

(a) CP-BBR 扭曲CNT纤维示意图，通过CPL探测器记录。纤维最初沿 \(y\)-轴放置，并在 \(x\)-\(y\) 平面内顺时针旋转，角度变化为 \(\alpha\)。 (b–d) 右旋 (RH) 和左旋 (LH) CNT纤维在不同放大倍数下的扫描电子显微镜(SEM)图像，比例尺分别为500 \(\mu m\) (c) 和100 \(\mu m\) (d)。 (e) 在工作电压7V时，CNT纤维通过可见光、近红外 (NIR) 和红外(IR) 相机记录的照片，比例尺：1 cm。 (f–h) 实验测量(f) 和有限差分时域法 (FDTD) 计算 (g, h) 的左旋和右旋圆偏振发射率差、CP-BBR 和 \(g_\text{em}\) 光谱。光谱范围为 \(0^\circ \leq \alpha < 360^\circ\)，最大 \(g_\text{em}\) 值为 0.08（700 nm）和 0.06（1300 nm）。 (i, j) 基于基尔霍夫定律的局部发射率密度 (i) 和发射光子的自旋角动量分布 (j)，其中 \(z\)-分量 (\(S_z\)) 确定了圆偏振特性。

图2
图2 | CP-BBR 的角分布。

(a) 右旋 (RH) CNT纤维的纳米纤维扭曲角 (\(\beta\)) 示意图。 (b, c, e, f) 比较实验测量 (b, c) 和 FDTD 计算 (e, f) 的不同 \(\alpha\) 角下 \(g_\text{em}\) 的角分布图。 (d) 不同纤维螺距 (\(p\)) 和直径 (\(D\)) 的最大 \(g_\text{em}\) 角分布与扭曲角 (\(\beta\)) 的关系。

图3
图3 | 几何参数对圆偏振特性的可调节性。

(a) 不同螺距 \(p = 320 \pm 30\), \(620 \pm 40\), \(1200 \pm 150\), \(1600 \pm 130 \, \mu m\) 的右旋 CNT 纤维 SEM 图像。 (b) 不同螺距的 \(g_\text{em}\) 角分布图，\(\alpha\) 范围为 \(0^\circ \leq \alpha < 180^\circ\)。 (c, d) FDTD 计算的不同螺距 (c) 和直径 (d) 的 \(g_\text{em}\) 光谱。 (e, f) \(g_\text{em}\) 和 Osipov-Pickup-Dunmur (sOPD) 手性度量值随螺距 (e) 和直径 (f) 的变化关系。 (g) 扭曲角 (\(\beta\)) 对 \(g_\text{em}\) 的影响，不同几何参数的纤维显示出线性相关性。

图4
图4 | 超高温复合材料中的 CP-BBR。

(a) 扭曲 CNT 纤维与陶瓷纳米颗粒和纳米线的复合材料结构示意图。 (b) 在不同电压下（0V、20V (可见光)、20V (NIR)、30V (IR)）的 CNT-Al\(_2\)O\(_3\) 复合材料的照片，比例尺：1 cm。 (c–e) 不同陶瓷基质 (Al\(_2\)O\(_3\), SiO\(_2\), ZrO\(_2\)) 中的左旋和右旋纤维复合材料的 \(g_\text{em}\) 光谱。

结论与展望

扭曲纳米碳纤维的几何手性为圆偏振黑体辐射提供了一种新颖的实现方式，其在可见光、近红外及中红外范围内表现出卓越的发射特性。通过与高温陶瓷材料的复合，显著拓宽了其应用场景，尤其是在极端温度条件下。未来研究可进一步优化其光学设计，并探索其在光通信、热管理和能源设备中的潜在应用。

论文直达

原文标题：Bright, circularly polarized black-body radiation from twisted nanocarbon filaments

原文卷期号：Science 2024, 386, 1400–1404

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