近日，美国密歇根大学Kotov教授团队在Science上报道了一种能够发出明亮的圆偏振黑体辐射的扭曲纳米碳丝。
摘要：普朗克定律忽略但不禁止黑体辐射(black body radiation,BBR)的圆偏振。来自纳米结构细丝的BBR具有纳米碳或金属的扭曲几何形状，展示出从500到3000纳米的强椭圆率。这些细丝的亚微米尺度的手性满足波动耗散定理强加的维度要求，并且根据基尔霍夫定律要求在吸收率和发射率方面的对称性破缺。所得的BBR显示出发射各向异性和亮度超过传统手征光子发射器10到100倍。这些细丝的螺旋结构使得能够对手性发射进行精确的光谱调谐，这可以使用电磁原理和手性度量来建模。将纳米碳丝封装在折射陶瓷中产生了高效、可调和耐用的手性发射器，能够在以前认为无法达到的极端温度下工作。
研究背景
纳米材料可以设计为传播光子的强椭圆率。纳米级光子学和手性光和电致发光材料的快速发展导致了光源处圆偏振光(CPL)发射器的发展。然而，合成能够发射高强度和强偏振光的手性分子、聚合物和晶体一直具有挑战性。可见光波长已经取得了进展，但这些材料往往依赖稀土金属，从而引发了可持续性问题。对于在800和1550 nm的水透明窗口中工作的近红外设备，紧急电信设备、加密网络、穿越空间通信、机器人视觉系统、量子光学计算、个性化生物医学技术和生物聚合物传感器需要强CPL发射器。然而，对于NIR跃迁来说，典型的电子振动态的紧密接近大大加速了激发衰减,并防止了高亮度和偏振各向异性。此外，基于低带隙半导体如硒化镉的NIR CPL发射器面临额外的挑战，包括易氧化。克服这些限制，需要创新的方法，开发能够发射光子的手性材料。
光发射各向异性因子，例如表征荧光椭圆率的glum （lum, luminescence），及其对应的gem (em，emission)量化了发光和散射的累积效应，是CPL材料的关键指标。虽然稀土配合物表现出0.1到1之间的高glum，这是由与f电子态的大自旋轨道耦合引起的，但地壳中含量较高、易于获取且成本相对较低的材料的典型各向异性因子值在10e-5到10e-2之间。可用于可见光发射装置的材料需要0.1至1.9之间的gem值。相比之下，目标应用于NIR区域的材料表现出更小的gem和发光量子产率值。快速的热弛豫速率和严格的对称性限制加剧了这一问题，通常使它们失去CPL活性。
空气亮度是手性材料和CPL发射器的另一个重要参数。虽然等离子体纳米结构提供了有希望的光学偏振，但是它们伴随着高的光学损耗。它们在可见光区的典型亮度值在10e-7-10e-2 W/cm2范围内，NIR CPL发射器的可比数据尚未报道。
黑体辐射(BBR)为密集的电子振动能级带来的挑战提供了另一种选择。根据普朗克定律，所有的量子态，甚至那些被亚电子伏间隙隔开的量子态，都是不可逆的。然而，该定律没有考虑偏振效应，认为它们不重要——这对于通常在该定律框架内考虑的大型球体来说是真实的。
此外，波动耗散定理特别禁止从二维(2D)发射器产生圆偏振BBR (CP-BBR)，这是发光器件和以前的CPL-发射器实现中常用的几何形状。研究团队假设3D扭曲细丝可以作为强CPL活性BBR发射器，因为在纳米和亚微米尺度上发射器的整体镜像不对称(而不是量子态的不对称)将决定热辐射的圆偏振。研究团队报道了由碳纳米管(CNT)纱线组成的绞合细丝以及绞合钨丝产生的CPL在可见光、NIR和中红外范围内具有优异的亮度和高gem值。灯丝的螺旋几何形状、制造的简单性以及它们的电控发射最大值使得基于BBR的CPL发射器具有可调谐性。
研究内容
图1 扭曲纤维的圆偏振黑体辐射（BBR）。(A) 由圆偏振光（CPL）探测器记录的扭曲碳纳米管（CNT）纤维的圆偏振黑体辐射（CP-BBR）示意图。纤维最初沿y轴放置，并在x-y平面内顺时针旋转，与其初始位置的角度变化为α。(B至D) 右手螺旋（RH）[(B)和(D)]和左手螺旋（LH）(C)碳纳米管纤维在不同放大倍数下的扫描电子显微镜（SEM）图像。(E) 在工作电压为7V的可见光（左上）、近红外（右上）和红外（下）相机下拍摄的碳纳米管纤维的照片。(F至H) 实验测量（F）和时域有限差分法（FDTD）计算[(G)和(H)]的非角度相关左旋圆偏振（LCP）/右旋圆偏振（RCP）发射率差异（G）、圆偏振黑体辐射[(F)和(G)]以及gem的对比。[(F) 和 (H)] 图为左手螺旋（LH）和右手螺旋（RH）纤维在0°至360°范围内平均后的光谱。图(F)中显示的800至950纳米之间的光谱间隙是由于目前可用于圆极化测量的仪器存在局限性，以及需要使用两种不同的光谱仪而在这两者之间留下的间隙。图(G)中的灰线表示根据普朗克定律得出的理想黑体辐射光谱。图(I)和(J)基于基尔霍夫定律，展示了右手螺旋纤维的左旋圆偏振（LCP，顶部）和右旋圆偏振（RCP，底部）辐射的局部发射率密度(I)；以及左手螺旋（左侧）和右手螺旋（右侧）纤维的z分量局部自旋角动量密度的相应分布。
结论
文章设计并实现了具有高亮度和强偏振旋转的发射器，这些发射器的光谱覆盖了可见光、近红外（NIR）和红外部分。这是利用了由黑体亚微米级手性决定的吸收率相等的特性。经过充分验证的圆偏振黑体辐射（CP-BBR）机制使得对光谱特性的预测具有高度可靠性，并简化了圆偏振黑体辐射（CPBBR）发射器的工程设计。将扭曲的灯丝与陶瓷纳米颗粒烧结，为一大类手性碳陶瓷复合材料打开了大门。这些材料可以为各种高温物体赋予圆偏振光（CPL）发射率，并为在当前手性材料无法承受的极端条件下工作的CPL发射器提供了一个材料平台。
文献详情
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq4068
