Science: 圆偏振黑体辐射
文摘
2024-12-20 09:19
山东
转自高分子科学前沿
纳米结构材料可以设计为传播光子赋予强椭圆性。纳米级光子学以及手性光致发光和电致发光材料的快速发展带动了源头圆偏振光 (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。黑体辐射（BBR）为解决紧密间隔的振子水平所带来的挑战提供了另一种选择。根据普朗克定律，所有量子态，甚至那些被亚电子伏特间隙隔开的量子态，都具有黑体辐射活性。然而，普朗克定律并没有考虑极化效应，认为极化效应微不足道--这对于通常在该定律框架下考虑的大球体来说是正确的。此外，波动消散定理明确禁止从二维（2D）发射器产生圆偏振 BBR（CP-BBR），而二维（2D）发射器是发光器件和以前的 CPL 发射器实现中常用的几何形状。鉴于此，美国Nicholas A. Kotov院士课题组发现与其他手性发射器不同，来自具有扭曲几何形状的纳米碳丝或金属丝的黑体辐射在500纳米到3000纳米之间具有很强的椭圆性，这些细丝的亚微米尺度手性满足了波动-消散定理的尺寸要求，并根据基尔霍夫定律要求打破吸收率和发射率的对称性。由此产生的BBR所显示的发射各向异性和亮度超过了传统手性光子发射器的10到104倍。这些灯丝的螺旋结构可实现手性发射的精确光谱调谐，并可利用电磁原理和手性度量进行建模。将纳米碳丝封装在折射陶瓷中可以产生高效、可调、耐用的手性发射器，能够在以前认为无法实现的极端温度下工作。相关研究成果以题为“Bright, circularly polarized black-body radiation from twisted nanocarbon filaments”发表在最新一期《Science》上。本文一作为鲁俊博士（2025年3月即将加入新加坡国立大学）。值得一提的是，本文一作鲁俊博士从2021年起，以一作（共一）的身份连发4篇nature、science。今天这篇为本期封面！Nicholas A. Kotov，密西根大学Irving Langmuir杰出教授，美国艺术与科学院院士、美国国家发明家科学院院士；手性自组装研究领域奠基人，专注于仿生结构和手性结构领域研究。普朗克定律为理解 BBR 的频率和温度依赖性提供了理论基础。然而，基于 BBR 的 CPL 发射器需要工程能够承受高温的手性材料。碳纳米管具有耐高温性，可以在>1000°C 的温度下工作，其原纤维形态使其成为具有纳米级到微米级手性的长丝的理想候选者，其尺度与可见光和红外光子的波长相当。因此，作者将直径 (D) 为 150 μm的CNT纱线加捻成左旋和右旋螺旋丝（图 1）。与分子CPL发射器不同，它们的节距(p)可以通过逐渐扭转在1600至300μm之间连续变化。纳米纤维扭转角（β）可以在-40°到40°之间变化，分别对应于右手（RH）和左手（LH）长丝。作者利用CNT的导电性通过电阻加热产生BBR，这便于电压控制“调谐”发射波长和强度（图1A和E）。来自扭曲细丝的 BBR显示出由其手性和施加电压决定的椭圆度。RH 细丝表现出 LH 椭圆度，反之亦然，对于具有相反手性的细丝（图 1F）。当工作电压为7V时，gem光谱的最大值达到0.02（约700 nm）和0.06（约1300 nm），比同类CPL发射器高出10至104倍。作者采用协调普朗克定律和涨落耗散定理的机制进行建模（图2）。400至800nm和950至1650nm获得的所有实验数据均与计算光谱相匹配（图1，F至H）。作为所提出机制有效性的另一个基准，灯丝的远场椭圆率可以被视为局部发射器的叠加。RH灯丝局部发射率的积分表明远场发射由LH光子的椭圆率主导，这与光谱计算和实验观察一致（图1F至I）。发射光子的自旋角动量(S)密度可以根据电场和磁场(H)场的局域和远场区域计算，在x-y平面上，S、Sx和Sy的x和y分量相互抵消，但z分量Sz≠0，导致BBR的圆极化（图1J）。这一发现和S的空间图直接证明圆偏振源自细丝的3D亚微米几何形状，而不是量子态。扭曲灯丝中局部手性发射器的叠加导致偏振最大值与灯丝轴稍微不对齐，符合上述CP-BBR的机制，圆偏振度由代表灯丝螺旋度的扭转角β决定（图2A）。圆偏振各向异性也取决于灯丝方向（图2A至C）。RH和LH灯丝表现出完美镜像的角分布模式，在α=150°和α=30°时最大gem=0.08。基于基尔霍夫定律的FDTD计算完全再现了实验观察结果（图2E和F）。此外，扭转角β与1/p和D的近线性相关性（图2D），gem的角分布图随β变化。对应于gem最大值的角度，由线性偏振方向和β确定，对于RH和LH灯丝旋转至180°和0°（图2D）。gem最大值的α值也表现出对1/p和D的线性依赖性，为CP-BBR发射器的设计奠定了坚实的基础。通过改变长丝的捻度，实验性地将β在7°到35°之间变化，p从1600变化到300μm（图3A），gem对1/p、β（图3、B、C、E和G）和细丝直径(图3、D、F和G)的线性依赖性。当 p = 1200 ± 150 μm 和 β = 11 ± 1° 的值较大时，预计gem的强度较小。当 p = 320 ± 30 μm，对应于 β = 35 ± 4° 时，CP-BBR 的强度急剧上升。gem 在任何 α 条件下都不会改变符号，这对实际的 CPL 发射器至关重要。所有这些依赖关系都在基于所提出的 CP-BBR 机制的模拟中得到了再现（图 3E 至 G）。为了展示可变的形状因数并利用高温创建CP-BBR发射器，作者烧结了非手性陶瓷纳米粒子，其中扭曲的CNT丝以蛇状排列（图4A）。通过烧结Al2O3纳米颗粒与扭曲的纳米碳丝获得的碳陶瓷复合材料可承受约1300°C的温度并表现出强CPL（图4B）。与单根长丝的情况一样，嵌入复合材料中的LH和RH纤维的偏振旋转相反。方向不对称偏振发射也减少，揭示了近红外范围内与角度无关的gem=0.01（图4C）。由SiO2和ZrO2制成的其他折射复合材料表现出类似的特性，但由于陶瓷基体折射率的变化而导致gem变化很小（图4D、E)。利用黑体亚微米尺度手性决定的吸收率相等的优势，本文设计并实现了具有高亮度和强偏振旋转的发射器，其光谱横跨可见光、近红外和红外部分。经过全面验证的CP-BBR机制使光谱特性具有很高的可预测性，并简化了CP-BBR发射器的工程设计。将扭曲的细丝与陶瓷纳米颗粒烧结在一起，为手性碳-陶瓷复合材料家族的发展打开了大门。这些材料可为各种高温物体赋予CPL发射率，并为当前手性材料无法在极端条件下使用的CPL发射器提供了一个材料平台。鲁俊博士将于2025年3月加入新加坡国立大学 (NUS) 化学系和物理系，担任校长青年教授 (Presidential Young Professor)，诚邀青年才俊加入课题组共建手性纳米拓扑工程研究中心。鲁俊博士于2018年在吉林大学刘堃教授课题组获得博士学位，并从2019至今在密歇根大学进行博士后研究，合作导师为Nicholas A. Kotov教授。课题组主要聚焦非对称纳米界面拓扑工程研究 (TEAN: Topological Engineering of Asymmetrical Nanointerfaces)，具体研究方向包括：I.Asymmetrical Nanocavities for Quantum EngineeringII.‘Perfect’ Chiral Light Emitter III.Topological Thermal EngineeringIV.Machine Learning Directed Optical Design截止至今，课题组已在国际学术期刊上发表论文共17篇，含Nature、Science(4篇，含封面一篇)，Nature Photonics（1篇），主要代表作包括：1.Lu, J.; Jung, H.; Kim, J.-Y.; Kotov, N. K.* Bright, circularly-polarized black-body radiation from twisted nanocarbon filaments. Science2024, On proofing.2.Lu, J.; Wu, W.; Colombari, F.; Jawaid, A.; Seymour, B.; Whisnant, K.; Zhong, X.; Choi, W.; Chalmpes, N.; Lahann, J.; Moura, A. F.*; Nepal, D.*; Vaia, R.*; Kotov, N. K.* Nano-achiral composite films with strong circular polarization. Nature2024, 630, 860–865.3.Zhou, S.†; Li, J.†; Lu, J.†; Liu, H.; Kim, J.-Y.; Kim, A.; Yao, L.; Liu, C.; Qian, C.; Hood, Z. D.; Chen, W.; Gage, T. E.; Arslan, I.; Travesset, A.; Sun, K.; Kotov, N. K.*; Chen, Q.* Chiral assemblies of pinwheel superlattices on substrates. Nature2022, 612, 259–265.4.Lu, J.; Xue, Y.; Bernardino, K.; Zhang, N.-N.; Gomes, W. R.; Ramesar, N. S.; Liu, S.; Hu, Z.; Sun, T.; Moura, A. F.*; Kotov, N. A.*; Liu, K.* Enhanced optical asymmetry in supramolecular chiroplasmonic assemblies with long-range order. Science2021, 371, 1368–1374.1.博士生（2名）：全额奖学金保障，适合2025年秋季入学学生。申请者的英语成绩需满足托福85分或雅思6. 0以上。2.博士后（2名）：1. 获得化学、材料、物理或相关专业的博士学位。2. 具备独立开展科研工作的能力，在本领域主流学术期刊发表过研究论文。3.良好的英文阅读、写作和口头交流能力。4. 对科研充满热情，具备优秀的实际操作能力和良好的团队合作精神。具有机器学习 (ML)相关背景优先考虑。3.科研助理 （1-2名）：申请人应具有理工科相关专业本科及以上学历，课题组将提供支持其后续深造和发展，如留组或推荐去其他学校攻读博士等。4.访问学者/学生（若干）：课题组欢迎具有学术激情的访问学者和学生加入，有Python、机器学习或微纳加工制造背景优先考虑。 请将个人简历和代表性文章发送至cationlj@gmail.com，并附上您的背景、简历、成绩单、GPA 、 您的研究经历和兴趣，以及至少两位推荐人的联系信息。请感兴趣的博士生申请者注意：由于申请者资质、奖学金评估周期较长，请务必25年1月15号之前联系。声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
