Istraživači iz Centra za napredna naučna istraživanja u CUNI Graduate Centru (CUNI ASRC) eksperimentalno su pokazali da metapovršine (dvodimenzionalni materijali strukturirani na nanoskali) mogu precizno kontrolisati optička svojstva toplotnog zračenja generisanog unutar same metapovršine. Ovaj pionirski rad, objavljen u Nature Nanotechnology, utire put za kreiranje prilagođenih izvora svetlosti sa neviđenim mogućnostima, utičući na širok spektar naučnih i tehnoloških primena.
Toplotno zračenje – oblik elektromagnetnih talasa generisanih nasumičnim fluktuacijama materije izazvane toplotom – je po prirodi širokopojasno, koje se sastoji od mnogo boja. Dobar primer je svetlost koju emituje sijalica sa žarnom niti. Takođe je nepolarizovan i zbog svoje nasumice se širi u svim pravcima. Ove karakteristike često ograničavaju njegovu korisnost u aplikacijama koje zahtevaju dobro definisana svojstva svetlosti. Nasuprot tome, lasersko svetlo, poznato po svojoj definisanoj frekvenciji, polarizaciji i pravcu širenja, je dobro definisano, što ga čini neprocenjivim za mnoge ključne primene savremenog društva.
Metapovršine nude rešenje za veću korisnost kontrolisanjem elektromagnetnih talasa kroz pažljivo projektovane oblike nanostubova koji su raspoređeni po njihovim površinama. Variranjem ovih struktura, istraživači mogu postići kontrolu nad rasipanjem svetlosti, efikasno „oblikujući“ svetlost na prilagodljive načine. Do sada su, međutim, metapovršine razvijene samo za kontrolu laserskih izvora svetlosti i zahtevaju glomazne, skupe postavke pobude.
„Naš krajnji cilj je da omogućimo tehnologiju metapovršine koja ne zahteva spoljne laserske izvore, ali može da obezbedi preciznu kontrolu nad načinom na koji se sopstveno toplotno zračenje emituje i širi“, rekao je jedan od vodećih autora rada Adam Overvig, bivši postdoktorski istraživač sa Inicijativa za fotoniku CUNI ASRC i trenutno docent na Stevens institutu za tehnologiju. „Naš rad je važan korak u ovoj potrazi, pružajući osnovu za novu klasu metapovršina koje ne zahtevaju spoljne laserske izvore, već se napajaju unutrašnjim nekoherentnim oscilacijama materije vođenim toplotom.“
Istraživački tim je ranije objavio teoretski rad koji pokazuje da pravilno dizajnirana metapovršina može da oblikuje toplotno zračenje koje generiše, dajući poželjne karakteristike kao što su definisane frekvencije, prilagođena polarizacija, pa čak i željeni oblik talasnog fronta koji može da stvori hologram. Ova studija je predvidela da za razliku od konvencionalnih metapovršina, prikladno projektovana metapovršina može proizvesti i kontrolisati sopstveno toplotno zračenje na nove načine.
U sadašnjem otkriću, tim je krenuo da eksperimentalno potvrdi ova predviđanja i nadogradi njihove nove funkcionalnosti. Metapovršina je postignuta pojednostavljivanjem ranije zamišljene arhitekture uređaja, elegantne ali izazovne za realizaciju, na jedan strukturirani sloj sa 2D uzorkom. Ovaj aerodinamičan dizajn olakšava izradu i praktičnu primenu.
Dok je konvencionalno toplotno zračenje nepolarizovano, značajan fokus istraživanja bio je omogućavanje toplotnog zračenja sa kružno polarizovanom svetlošću, gde električno polje osciluje na rotirajući način. Nedavni radovi su pokazali da se suprotne kružne polarizacije (rotirajuće sa levorukim i desnorukim karakteristikama) mogu podeliti u suprotne smerove, ali izgleda da postoji fundamentalna granica za dalju kontrolu polarizacije emitovane svetlosti.
Novi dizajn tima prevazilazi ovo ograničenje, omogućavajući asimetričnu emisiju kružne polarizacije u jednom pravcu, demonstrirajući potpunu kontrolu nad toplotnom emisijom.
„Prilagođeni izvori svetlosti su sastavni deo brojnih naučnih i tehnoloških oblasti“, rekao je Andrea Alu, ugledni profesor i Ajnštajn profesor fizike na Gradskom univerzitetu u Njujorku i osnivački direktor CUNI ASRC Photonics Initiative. „Mogućnost stvaranja kompaktnih, laganih izvora sa željenim spektralnim, polarizacionim i prostornim karakteristikama je posebno ubedljiva za aplikacije koje zahtevaju prenosivost, kao što su svemirska tehnologija, terenska istraživanja u geologiji i biologiji i vojne operacije. Ovaj rad predstavlja značajan korak ka ostvarenju ovih sposobnosti“.
Tim je primetio da se principi primenjeni u njihovom trenutnom radu mogu proširiti na diode koje emituju svetlost (LED), sa potencijalom poboljšanja još jednog veoma uobičajenog i jeftinog izvora svetlosti koji je notorno teško kontrolisati.
Gledajući unapred, istraživački tim ima za cilj da kombinuje ove građevne blokove kako bi postigao složenije obrasce toplotne emisije, kao što je fokusiranje toplotne emisije na određenu tačku iznad uređaja ili kreiranje toplotnog holograma. Takav napredak mogao bi da revolucioniše dizajn i funkcionalnost prilagođenih izvora svetlosti.
