Nano pære lys ny vej:Ingeniører skaber tunable, nanoskala, glødende lyskilde

Hvad der kan ses som verdens mindste glødepære, lyser i et Rice University ingeniørlaboratorium med løfte om fremskridt inden for sansning, fotonik og måske computerplatforme ud over siliciums begrænsninger.

Gururaj Naik fra Rice's Brown School of Engineering og kandidatstuderende Chloe Doiron har samlet ukonventionelle "selektive termiske emittere" - samlinger af næsten nanoskala materialer, der absorberer varme og udsender lys.

Deres forskning, rapporteret i Avancerede materialer , one-ups en nyere teknik udviklet af laboratoriet, der bruger kulstof nanorør til at kanalisere varme fra mid-infrarød stråling for at forbedre effektiviteten af ​​solenergisystemer.

Den nye strategi kombinerer flere kendte fænomener til en unik konfiguration, der også forvandler varme til lys - men i dette tilfælde, systemet er meget konfigurerbart.

I bund og grund, Naik sagde, forskerne lavede en glødende lyskilde ved at nedbryde et et-element system - det glødende glødetråd i en pære - i to eller flere underenheder. Blanding og matchning af underenhederne kunne give systemet en række forskellige muligheder.

"Det forrige papir handlede om at gøre solceller mere effektive, " sagde Naik, en adjunkt i elektro- og computerteknik. "Denne gang, gennembruddet ligger mere i videnskaben end i applikationen. I bund og grund, vores mål var at bygge en termisk lyskilde i nanoskala med specifikke egenskaber, som at udsende ved en bestemt bølgelængde, eller udsender ekstremt lyse eller nye termiske lystilstande.

"Tidligere folk tænkte på en lyskilde som kun et element og prøvede at få det bedste ud af det, " sagde han. "Men vi deler kilden op i mange små elementer. Vi sætter delelementer sammen på en sådan måde, at de interagerer med hinanden. Et element kan give lysstyrke; det næste element kunne indstilles til at give bølgelængdespecificitet. Vi deler byrden på mange små dele.

"Idéen er at stole på kollektiv adfærd, ikke kun et enkelt element, " sagde Naik. "At bryde filamentet i mange stykker giver os flere grader af frihed til at designe funktionaliteten."

Systemet er afhængigt af ikke-ermitisk fysik, en kvantemekanisk måde at beskrive "åbne" systemer, der spreder energi - i dette tilfælde, varme - i stedet for at beholde den. I deres eksperimenter, Naik og Doiron kombinerede to slags passive oscillatorer på næsten nanoskala, der er elektromagnetisk koblet, når de opvarmes til omkring 700 grader Celsius. Når den metalliske oscillator udsendte termisk lys, det udløste den koblede siliciumskive til at lagre lyset og frigive på den ønskede måde, sagde Naik.

Den lysemitterende resonator's output, Doiron sagde, kan styres ved at dæmpe den tabsgivende resonator eller ved at styre niveauet af kobling gennem et tredje element mellem resonatorerne. "Lysstyrke og selektivitet afvejer, " sagde hun. "Halvledere giver dig en høj selektivitet, men lav lysstyrke, mens metaller giver dig meget lys emission, men lav selektivitet. Bare ved at koble disse elementer, vi kan få det bedste fra begge verdener."

"Den potentielle videnskabelige effekt er, at vi kan gøre dette ikke kun med to elementer, men mange flere, " sagde Naik. "Fysikken ville ikke ændre sig."

Han bemærkede, at selvom kommercielle glødepærer har givet plads til LED'er for deres energieffektivitet, glødelamper er stadig det eneste praktiske middel til at producere infrarødt lys. "Infrarød detektion og sensing er begge afhængige af disse kilder, " sagde Naik. "Det, vi har skabt, er en ny måde at bygge lyskilder på, der er lyse, retningsbestemt og udsender lys i specifikke tilstande og bølgelængder, inklusive infrarød."

Mulighederne for sansning ligger i systemets "undtagelsespunkt, " han sagde.

"Der er en optisk faseovergang på grund af, hvordan vi har koblet disse to resonatorer, " sagde Naik. "Hvor dette sker kaldes det ekstraordinære punkt, fordi det er usædvanligt følsomt over for enhver forstyrrelse omkring det. Det gør disse enheder velegnede til sensorer. Der er sensorer med mikroskala optik, men intet er blevet vist i enheder, der anvender nanofotonik."

Mulighederne kan også være gode for næste-niveau klassisk computing. "The International Roadmap for Semiconductor Technology (ITRS) forstår, at halvlederteknologi er ved at nå mætning, og de tænker på, hvad næste generations switche vil erstatte siliciumtransistorer, " sagde Naik. "ITRS har forudsagt, at det vil være en optisk switch, og at det vil bruge begrebet paritet-tidssymmetri, som vi gør her, fordi kontakten skal være ensrettet. Det sender lys i den retning, vi ønsker, og ingen kommer tilbage, som en diode til lys i stedet for elektricitet."