Гурурадж Найк из инженерной школы Райс Браун и аспирантка Хлоя Дойрон собрали нетрадиционные «селективные тепловые излучатели» – коллекции материалов почти нанометрового размера, которые поглощают тепло и излучают свет.
Их исследование, опубликованное в Advanced Materials, является дополнением к недавней методике, разработанной лабораторией, в которой углеродные нанотрубки используются для отвода тепла от среднего инфракрасного излучения для повышения эффективности систем солнечной энергии.
Новая стратегия объединяет несколько известных явлений в уникальную конфигурацию, которая также превращает тепло в свет, но в этом случае система легко настраивается.
По сути, сказал Найк, исследователи создали источник света накаливания, разбив одноэлементную систему – светящуюся нить накала в лампочке – на две или более субъединиц. Смешивание и сопоставление субъединиц может дать системе множество возможностей.
«Предыдущая статья была посвящена повышению эффективности солнечных элементов, – сказал Найк, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники. "На этот раз прорыв больше в науке, чем в применении. По сути, наша цель состояла в том, чтобы создать наноразмерный источник теплового света с определенными свойствами, такими как излучение на определенной длине волны или излучение чрезвычайно ярких или новых тепловых состояний света.
«Раньше люди думали об источнике света как об одном элементе и пытались извлечь из него максимум пользы», – сказал он. "Но мы разбиваем источник на множество мелких элементов. Мы объединяем подэлементы таким образом, чтобы они взаимодействовали друг с другом.
Один элемент может дать яркость; следующий элемент может быть настроен для обеспечения специфичности длины волны. Мы разделяем бремя между множеством мелких деталей.
«Идея состоит в том, чтобы полагаться на коллективное поведение, а не только на один элемент», – сказал Найк. "Разделение нити на множество частей дает нам больше свободы в разработке функциональности."
Система опирается на неэрмитовскую физику, квантово-механический способ описания "открытых" систем, которые рассеивают энергию – в данном случае тепло – а не удерживают ее.
В своих экспериментах Наик и Дуарон объединили два типа пассивных генераторов, близких к нанометровому, с электромагнитной связью при нагревании примерно до 700 градусов Цельсия. Когда металлический осциллятор излучает тепловое излучение, он запускает связанный кремниевый диск, чтобы сохранять свет и высвобождать его желаемым образом, – сказал Наик.
Выходом светоизлучающего резонатора, по словам Дуарона, можно управлять путем демпфирования резонатора с потерями или путем управления уровнем связи через третий элемент между резонаторами. «Яркость и селективность идут вразрез», – сказала она. «Полупроводники обеспечивают высокую селективность, но низкую яркость, в то время как металлы дают очень яркое излучение, но низкую селективность.
Просто объединив эти элементы, мы можем получить лучшее из обоих миров."
«Потенциальное научное воздействие состоит в том, что мы можем сделать это не только с двумя элементами, но и с многими другими элементами», – сказал Найк. "Физика не изменится."
Он отметил, что, хотя коммерческие лампы накаливания уступили место светодиодам из-за их энергоэффективности, лампы накаливания по-прежнему являются единственным практическим средством получения инфракрасного света. «Инфракрасное обнаружение и зондирование полагаются на эти источники», – сказал Найк. «Мы создали новый способ создания источников света, которые являются яркими, направленными и излучают свет в определенных состояниях и длинах волн, включая инфракрасный."
По его словам, возможности для восприятия лежат в "исключительной точке системы".
«Существует оптический фазовый переход из-за того, как мы соединили эти два резонатора», – сказал Найк. "Место, где это происходит, называется исключительной точкой, потому что она исключительно чувствительна к любым возмущениям вокруг нее.
Это делает эти устройства подходящими для датчиков. Есть датчики с микромасштабной оптикой, но в устройствах, использующих нанофотонику, ничего не показано."
Возможности также могут быть большими для классических вычислений следующего уровня. «Международная дорожная карта для полупроводниковых технологий (ITRS) понимает, что полупроводниковые технологии достигают насыщения, и они думают о том, какие переключатели следующего поколения заменят кремниевые транзисторы», – сказал Наик. "ITRS предсказал, что это будет оптический коммутатор, и что он будет использовать концепцию симметрии четности и времени, как мы это делаем здесь, потому что коммутатор должен быть однонаправленным. Он посылает свет в нужном нам направлении, и никто не возвращается, как световой диод вместо электричества."
Национальный научный фонд поддержал исследование.