​普渡大学校园附近的瓦巴什河（左）的热图像。大多数传统物体在发射的热信号中显示出微弱到零的圆形偏振。通过使用由具有不同对称性的F形纳米结构阵列组成的元表面（右），研究人员能够以一种可控和有效的方式产生圆形偏振热辐射。资料来源：普渡大学图片/王学智

普渡大学的研究人员在热辐射领域取得了一项突破性的发现，他们发现了一种新的方法，即利用被称为元表面的人工结构表面以可控和高效的方式产生旋转的热辐射。

由普渡大学电气和计算机工程系埃尔莫尔副教授祖宾-雅各布领导的团队在《科学进展》杂志上发表了研究结果，题为 "观察来自对称性破坏的元表面的热辐射中的非消失光学螺旋性"。

热辐射源于材料的随机波动，传统上被认为是一种非相干信号。大多数传统的热辐射器在发射的热量中显示出微弱到零的圆偏振。令人惊讶的是，从许多天体到达地球的热辐射拥有显著的圆极化。这一有趣的现象导致了在一些凝聚态恒星中发现了强磁场，为早期宇宙的谜题提供了解释，甚至提供了生命的可能标志。

"雅各布说："旋转热辐射在自然界中极其罕见，只在一些凝聚态的恒星中发现。"我们的工作提供了一种产生这种类型的辐射的新方法，它有可能被用于各种应用，包括热成像和通信。"

来自我们元表面的工程热发射的独特自旋纹理可以作为户外环境中的高对比度红外信标加以利用，因为其他自然物体的背景热发射是高度不连贯的，没有任何自旋纹理。资料来源：普渡大学/王学智

研究人员发现，通过使用一个由F形结构阵列组成的元表面，他们能够在所有方向上产生主要为左手的圆偏振热辐射，首次产生了非消失的光螺旋。

研究小组通过他们的设计达到了光学螺旋度基本极限的39%，他们还表明，发射的热光子的特性可以通过元表面的对称性来定制，证明了对热辐射的各种特性的有效控制。

"雅各布说："这项研究可能对理解无处不在的热辐射现象和开发新技术有重要意义。潜在的应用包括将元表面作为一个广角、窄带圆极化中红外光源，用于光学气体传感和红外成像。此外，工程热发射的独特光谱、空间和自旋特征可以作为户外环境中的无源红外信标加以利用，使其在遥感技术中发挥作用。

"我们对这一发现的潜力感到非常兴奋，"博士生王学智说。"它不仅加深了我们对热辐射的理解，而且还为各种领域的技术进步提供了新的可能性。"

更多信息：Xueji Wang等人，观察来自对称性破碎的元表面的热辐射中的非消失光学螺旋性，《Science Advances》（2023）。DOI: 10.1126/sciadv.ade4203

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