奈米結構纖絲產生行進時會旋轉的明亮光波

美國密西根大學的科學家表示，具扭曲幾何形狀的奈米結構纖絲，能產生出明亮且呈扭曲狀的光。

普朗克定律雖未考量，但也未禁止黑體輻射（BBR）呈圓偏振態。由奈米碳或金屬構成、具扭曲幾何形狀的奈米結構纖絲所發出的黑體輻射，在500到3000奈米的範圍內有很強的橢圓率。這些纖絲的次微米尺度手性，符合漲落耗散定理所施加的維度要求，且依據基爾霍夫定律，在吸收率和發射率上需有對稱破缺。最終產生的黑體輻射，其發射各向異性和亮度，比傳統手性光子發射體高出10到100倍。圖片出處：Lu等人，doi: 10.1126/science.adq4068。

密西根大學研究員盧軍博士表示：「以傳統方式，如電子或光子發光，來產生扭曲光時，很難產生出足夠的亮度。」

「我們逐漸意識到，其實有個古老方法可產生這些光子，不是依靠光子和電子激發，而是類似愛迪生發明的燈泡那樣。」

「任何有熱能的物體，包括你自己，都不斷在發射出與其溫度相關的光譜中的光子。」

「當物體與其周圍環境溫度相同時，它也在吸收等量的光子，這在理想化情況下稱為黑體輻射，因為黑色會吸收所有光子頻率。」

雖然鎢絲燈泡的燈絲比周圍環境溫度高很多，但定義黑體輻射的普朗克定律，能很好地近似它所發出的光子光譜。」

總的來說，可見光子看起來像白光，但當你讓光穿過稜鏡，就能看到其中不同光子組成的彩虹色光譜。

這種輻射也是為何在熱成像中你會清晰顯現的原因，即便室溫物體也不斷在發射和接收黑體光子，所以它們也會隱約可見。

通常，發射輻射的物體形狀不太受考量，大多情況下，物體可被想像成一個球體。

但雖然形狀不影響不同光子的波長光譜，卻能影響另一個特性：它們的偏振。

通常來自黑體源的光子是隨機偏振的，它們的波可能沿任何軸振盪。

新研究發現，如果發射體在微觀或奈米尺度上呈扭曲狀，且每次扭曲的長度與發射光的波長相近，黑體輻射也會呈扭曲狀。

光的扭曲程度，或稱橢圓偏振，主要取決於兩個因素：光子的波長與每次扭曲長度的接近程度，以及材料（在此為奈米碳或金屬）的電子特性。

扭曲光也被稱為「手性」光，因為順時針和逆時針旋轉是彼此的映象。

進行這項研究，是為了驗證密西根大學研究團隊想推進的一個更具應用性專案的前提：利用手性黑體輻射來識別物體。

他們設想機器人和自動駕駛汽車能像螳螂蝦一樣「看」東西，能分辨不同旋轉方向和扭曲程度的光波。

密西根大學教授尼古拉斯·科托夫表示：「手性奈米結構在黑體輻射物理方面的進展，是這項研究的核心。這樣的發射體在我們周圍無處不在。」

「例如，這些發現對自動駕駛汽車分辨鹿和人可能很重要，鹿毛和人類衣物的捲曲度不同，所以它們發出的光，波長相近但螺旋性不同。」

雖然利用此方法產生扭曲光的主要優勢在於亮度，比其他方法亮達100倍，但這種光包含波長和扭曲程度的寬頻光譜。

論文作者已有想法解決此問題，包括探索打造一種依賴扭曲發光結構的雷射的可能性。

他們想進一步探索紅外光譜。室溫下黑體輻射的峰值波長大約是10000奈米或0.01毫米。

科托夫教授稱：「這個光譜區域有很多噪聲，但透過橢圓偏振，也許有可能增強對比度。」

研究團隊的研究成果發表在《科學》期刊上。

Jun Lu等人，2024年。扭曲奈米碳纖絲產生的明亮、圓偏振黑體輻射。《科學》386（6728）：1400 - 1404；doi: 10.1126/science.adq406