密西根大學的研究人員證明，使用類似愛迪生燈泡的技術可以產生明亮的扭曲光。這項發現為基礎物理學增添了細微差別，同時為機器人視覺系統和其他在太空中追蹤螺旋的光應用提供了新途徑。
「用電子或光子發光等傳統方式產生扭曲光時很難產生足夠的亮度，」密西根大學化學工程兼任研究員、該論文的第一作者 Jun Lu 說。學習在本週的封面上科學。
“我們逐漸注意到，我們實際上有一種非常古老的方法來產生這些光子——不依賴光子和電子激發，而是像愛迪生開發的燈泡一樣。”
每個帶有熱量的物體，包括你自己，都會不斷地發出與其溫度相關的光譜中的光子（光粒子）。當物體與其周圍環境的溫度相同時，它也會吸收等量的光子——這被理想化為“黑體輻射”，因為黑色吸收所有光子頻率。
雖然鎢絲燈泡的燈絲比周圍環境溫暖得多，但定義黑體輻射的定律（普朗克定律）提供了對其發出的光子光譜的良好近似。總的來說，可見光子看起來像白光，但是當你讓光穿過棱鏡時，你可以看到其中不同光子的彩虹。
這種輻射也是為什麼你在熱影像中顯得明亮的原因，但即使是室溫物體也會不斷發射和接收黑體光子，使它們也變得模糊可見。
燈泡後面的螢幕顯示發光燈絲的溫度。燈絲發出的光的波長取決於其溫度，燈絲旋轉光的程度取決於波長與燈絲扭曲節距的接近程度。 © Brenda Ahearn/密西根工程
通常，發射輻射的物體的形狀不會得到太多考慮——對於大多數目的（物理學中經常如此），物體可以被想像為球體。但是，雖然形狀不會影響不同光子的波長光譜，但它會影響不同的特性：它們的偏振。
通常，來自黑體源的光子是隨機偏振的——它們的波可以沿著任何軸振盪。這項新研究表明，如果發射器在微米或奈米尺度上扭曲，每次扭曲的長度與發射光的波長相似，那麼黑體輻射也會扭曲。光扭曲的強度或其橢圓偏振取決於兩個主要因素：光子的波長與每次扭曲的長度的接近程度以及材料（在本例中為奈米碳或金屬）的電子特性。
扭曲光也被稱為“手性”，因為順時針和逆時針旋轉是彼此的鏡像。這項研究的目的是證明密西根團隊想要進行的一個更具應用性的計畫的前提：使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夠像螳螂蝦一樣看到東西，區分不同旋轉方向和扭曲程度的光波。
「手性奈米結構黑體輻射物理學的進步是這項研究的核心。這種發射器在我們周圍無處不在。 （Nicholas Kotov）說。
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「例如，這些發現對於自動駕駛汽車區分鹿和人類來說可能很重要，鹿和人類發出的光具有相似的波長但不同的螺旋度，因為鹿皮毛的捲曲與我們的織物不同。”
陸軍檢查燈泡內發光的扭曲燈絲。他與密西根大學的一組研究人員首次證明，扭曲的燈絲可以產生旋轉的光波。 © Brenda Ahearn/密西根工程公司。
雖然亮度是這種產生扭曲光的方法的主要優點（比其他方法亮 100 倍），但光包含波長和扭曲的寬光譜。團隊對如何解決這個問題有一些想法，包括探索建造依賴扭曲發光結構的雷射的可能性。
科托夫還想進一步探索紅外線光譜。室溫下黑體輻射的峰值波長約為 10,000 奈米或 0.01 毫米。
「這是光譜中存在大量雜訊的區域，但可以透過橢圓偏振來增強對比度，」科托夫說。
Kotov 也是 Joseph B. 和 Florence V. Cejka 工程教授、高分子科學與工程教授以及密西根大學生物界面研究所的成員。盧是新加坡國立大學化學和物理學助理教授。
該設備是在位於密西根大學北校區研究中心的 COMPASS 實驗室建造的，並在密西根材料表徵中心進行了研究。
更多資訊：
Jun Lu 等人，來自扭曲奈米碳絲的明亮圓偏振黑體輻射，科學（2024）。DOI：10.1126/science.adq4068
引文:
扭曲的愛迪生：奈米級捲曲的細絲產生在行進時旋轉的光波（2024 年，12 月 23 日）
