继Nature后，时隔半年，鲁俊博士再发Science封面论文！

【导读】

纳米结构材料可以设计成使传播光子具有很强的椭圆性，随着纳米尺度光子学和手性光致发光和电致发光材料的快速发展，导致了在源圆偏振光（CPL）发射器的发展。然而，合成可以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，但这些材料通常依赖于稀土金属，这引发了可持续性问题。进一步研究显示，对于在800和1550 nm水透明窗口中运行的近红外（NIR）设备，紧急电信设备、加密网络、太空通信、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需要强大的CPL发射器传感器。然而，NIR跃迁典型的振动态非常接近，大大加速了激发衰减，并阻止了高亮度和偏振各向异性。此外，基于低带隙半导体的NIR CPL发射器还面临额外的挑战，包括对氧化的敏感性，克服这些限制需要对能够发射光子的手性材料采用开箱即用的方式。天线亮度是手性材料和CPL发射器的另一个关键参数。尽管等离激元纳米结构提供了有前途的光学偏振，但它们与高光损耗有关。黑体辐射（BBR）为紧密间隔的振动能级带来的挑战提供了另一种选择。根据普朗克定律，所有量子态，即使是那些由亚电子伏特间隙分隔的量子态，都是BBR 活性的。然而，同一定律没有考虑极化效应，且涨落-耗散定理明确禁止从二维 （2D）发射器产生圆偏振BBR（CP-BBR），这种几何形状通常用于发光器件和以前的CPL发射器实现。

【成果掠影】

在此，美国密西根大学Nicholas A. Kotov教授等人（通讯作者）、鲁俊（第一作者）报道了细丝的螺旋几何形状、制造简单性以及电控发射最大值使基于BBR的CPL发射器具有可调性，由纳米碳或金属具有扭曲几何结构的纳米结构纤维的BBR具有500到3000纳米的强椭圆度，这些细丝的亚微米尺度的手性满足波动耗散定理规定的维数要求，并根据基尔霍夫定律要求吸收率和发射率的对称破缺。所得到的BBR显示出的发射各向异性和亮度比传统的手性光子发射器多出10到100倍。这些细丝的螺旋结构可以精确地实现手性发射的光谱调整，这可以用电磁原理和手性指标来建模。将纳米碳细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发挥作用。

相关研究成果以“Bright, circularly polarized black-body radiation from twisted nanocarbon filaments”为题发表在Science上。

【核心创新点】

1.由纳米碳或金属具有扭曲几何结构的纳米结构纤维的BBR具有500到3000纳米的强椭圆度，这些细丝的亚微米尺度的手性满足波动耗散定理规定的维数要求。

2.本文所得到的BBR显示出的发射各向异性和亮度比传统的手性光子发射器多出10到100倍。

3.纳米碳细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。

【数据概览】

图一、圆偏振的BBR © 2024 AAAS

图二、CP-BBR的角分布© 2024 AAAS

图三、利用几何参数对圆偏振的可调性评估© 2024 AAAS

图四、具有CP-BBR的超高温复合材料© 2024 AAAS

【成果启示】

综上所述，这篇文章设计并实现了具有高亮度和强偏振旋转的发射器，其利用了由黑体的亚微米级手性决定的吸收率相等性。进一步经过彻底验证的 CP-BBR机制可实现光谱特性的高度可预测性，并使CP-BBR发射器的工程设计变得简单。更加重要的一点是，陶瓷纳米颗粒烧结为手性碳陶瓷复合材料打开了方向，可以给予各种高温物体CPL发射率，并在当前手性材料无法接近的极端条件下为CPL发射器提供材料平台。

文献链接：“Bright, circularly polarized black-body radiation from twisted nanocarbon filaments”（Science，2024，10.1126/science.adq4068）

本文由材料人CYM编译供稿。