特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨米測MeLab
編輯丨風云
研究背景
納米結構材料可以設計為傳播光子賦予強橢圓度。納米級光子學和手性光致發光和電致發光材料的快速發展，推動了源頭圓偏振光 (CPL) 發射器的發展。
關鍵問題
然而，圓偏振光 (CPL) 發射器的開發主要存在以下問題：
1、合成能夠發射高強度和強偏振光的材料具有挑戰
合成能夠發射高強度和強偏振光的手性分子、聚合物和晶體一直具有挑戰性。這些材料通常依賴于稀土金屬，引發了可持續性問題。
2、BBR解決了緊密間隔振子水平挑戰，但普朗克定律未考慮極化效應
黑體輻射（BBR）提供了解決緊密間隔振子水平挑戰的新途徑，但普朗克定律未考慮極化效應，且波動消散定理禁止從常用于發光設備的二維（2D）發射器產生圓偏振BBR（CP-BBR）。
新思路
有鑒于此，密歇根大學Nicholas A. Kotov教授等人發現，與常規手性發射器不同，由扭曲納米碳絲或金屬絲產生的黑體輻射在500至3000納米波長范圍內表現出顯著的橢圓偏振特性。這些亞微米級手性結構符合波動-消散定理的尺寸要求，根據基爾霍夫定律，打破了吸收與發射的對稱性。這種黑體輻射的發射各向異性和亮度是傳統手性光子發射器的10至104倍。這些細絲的螺旋結構允許對手性發射進行精確的光譜調控，并且可以通過電磁理論和手性度量進行模型化。將這些納米碳絲封裝在折射陶瓷中，可以制造出高效、可調諧、耐用的手性發射器，能在極端溫度下穩定工作。相關研究成果以題為“Bright, circularly polarized black-body radiation from twisted nanocarbon filaments”發表在最新一期《Science》上。文章為本期封面！
技術方案：
1、闡述了CP-BBR發射器的材料工程及相關原理
CNT紗線制成的扭曲細絲展現出卓越的圓偏振光發射性能，這些細絲的螺旋幾何形狀和電控發射特性，使其在手性發射器領域具有創新性，能夠通過電壓調節實現發射波長和強度的精確調控。
2、探究了CP-BBR與扭絲的角度依賴性
作者證實了扭曲碳納米管和鎢絲產生圓偏振光，圓極化程度受扭曲角影響，具有普朗克定律要求的普遍性。
3、分析了CP-BBR螺旋度對扭曲細絲的依賴性
通過實驗調整細絲的扭曲緊密度，發現圓偏振光發射的寶石值（gem）對細絲的螺距（1/p）、扭曲角（b）和直徑（D）顯示出線性依賴性。這些發現為設計和優化圓偏振光發射器（CPL）提供了重要的幾何參數依據。
4、成功制備了能夠承受高溫并表現出強大CPL的碳陶瓷復合材料
作者通過燒結非手性陶瓷納米顆粒與扭曲的CNT細絲，成功制備了能夠承受約1300°C高溫并表現出強大CPL的碳陶瓷復合材料。
技術優勢：
1、開發了高亮度和強偏振特性的圓偏振黑體輻射（CP-BBR）發射器
作者發現，由CNT紗線組成的扭曲細絲以及扭曲的鎢絲可以產生具有出色亮度和高寶石值的CPL，覆蓋可見光、近紅外和中紅外范圍。這種基于BBR的CPL發射器展現出的發射各向異性和亮度是傳統手性光子發射器的10到104倍。
2、獲得了在高溫環境下高效、可調諧手性發射器
作者發現將納米碳絲封裝在折射陶瓷中，可以制造出在極端溫度下穩定工作的高效、可調諧、耐用的手性發射器。這一創新使得手性發射器能夠在以前認為無法實現的極端溫度下工作，為高溫環境下的手性材料應用提供了新的平臺。
技術細節
CP-BBR發射器的材料工程及相關原理
普朗克定律為理解黑體輻射（BBR）的頻率和溫度依賴性提供了理論基礎，而本研究中的碳納米管（CNT）紗線因其耐高溫性和纖維狀形態，成為制造耐高溫手性材料的理想選擇。作者將CNT紗線捻成螺旋細絲，通過電阻加熱生成BBR，實現了電壓控制下的發射波長和強度調諧。這些螺旋細絲在不同電壓下顯示出由手性和施加電壓決定的橢圓度，且圓各向異性g因子的計算顯示其亮度和圓偏振光發射強度遠超傳統CPL發射器。封裝在折射陶瓷中的CNT紗線可制造出高效、可調諧、耐用的手性發射器，能在極端溫度下穩定工作，且實驗數據與基于FDTD計算的光譜相匹配，證實了3D亞微觀幾何形狀是圓極化的源頭。
圖 扭曲細絲的圓極化BBR
CP-BBR與扭絲的角度依賴性
研究顯示，扭曲的碳納米管（CNT）紗線和鎢絲能夠產生具有高亮度和高寶石值的圓偏振光發射（CPL），覆蓋可見光到中紅外范圍。這些細絲的BBR在x-z平面上表現出各向同性和全向特性，而在x-y平面上則表現出強烈的各向異性。圓極化程度由細絲的扭曲角決定，且圓極化各向異性依賴于細絲方向。FDTD計算基于Kirchhoff定律，成功復制了實驗結果，顯示了角度分布模式隨扭曲角和細絲尺寸變化的特性。這些發現為設計CP-BBR發射器提供了理論基礎，并證實了觀察到的現象具有普朗克定律所要求的普遍性。
圖 CP-BBR的角度分布
CP-BBR螺旋度對扭曲細絲的依賴性
作者通過改變細絲的扭曲緊密度，實驗性地調整了扭曲角b和螺距p，觀察到圓偏振光發射的寶石值gem對1/p、b和細絲直徑的線性依賴性。gem的值不會隨角度a的變化而改變符號，這對于實際的CPL發射器至關重要。模擬成功重現了所有依賴關系。通過計算光學手性密度和縮放的Osipov-PickupDunmur手性測量，揭示了細絲和寶石的鏡像不對稱關系。手性測量的實用性被證實，特別是對于可以生成“手性零點”的偽標量測量。研究觀察到sOPD對手性參數的線性依賴性，這為設計最大化gem的CP-BBR發射器提供了幾何參數依據。
圖 通過幾何參數實現圓偏振的可調諧性
含CP-BBR的折射復合材料
作者通過燒結非手性陶瓷納米顆粒與扭曲的碳納米管（CNT）細絲，成功制備了能夠承受約1300°C高溫并表現出強大圓偏振光（CPL）的碳陶瓷復合材料。這種材料的偏振旋轉方向與單根細絲相同，且在近紅外范圍內顯示出與角度無關的圓偏振各向異性寶石值（gem）為0.01。此外，由SiO2和ZrO2制成的其他折射復合材料也顯示出類似的特性，其寶石值的微小變化主要是由陶瓷基質的折射率變化引起的。這些發現為開發能夠在極端高溫條件下工作的CPL發射器提供了新材料平臺。
圖 含CP-BBR的超高溫復合材料
展望
總之，作者利用黑體亞微米級手性決定的吸收率相等性，設計和實現了具有高亮度和強偏振旋轉的發射器，覆蓋可見光、近紅外和紅外光譜部分。經過徹底驗證的 CP-BBR 機制可實現光譜特性的高度可預測性和 CPBBR 發射器的工程簡單性。用陶瓷納米顆粒燒結扭曲的細絲為大量手性碳陶瓷復合材料打開了大門。這些材料可以賦予各種高溫物體CPL發射率，并為CPL發射器提供材料平臺，以應對當前手性材料無法達到的極端條件。
參考文獻：
JUN LU, et al. Bright, circularly polarized black-body radiation from twisted nanocarbon filaments. Science, 2024, 386(6728):1400-1404.
DOI: 10.1126/science.adq4068
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq4068
