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纳米灯泡灯新颖路径:工程师创造可调

科技 2019-09-20 09:24:57

可以被视为世界上最小的白炽灯泡在莱斯大学工程实验室中闪耀着光芒,有望在传感,光子学和计算平台方面取得进步,超越硅的限制。

莱斯布朗工程学院的Gururaj Naik和研究生Chloe Doiron组装了非传统的“选择性热发射器” - 近纳米级材料的集合,吸收热量并发光。

他们的研究在Advanced Materials中进行了报道,该实验室开发了一项最新技术,该技术使用碳纳米管来引导中红外辐射的热量,从而提高太阳能系统的效率。

新策略将几种已知现象结合到一个独特的配置中,该配置也将热量转化为光 - 但在这种情况下,系统是高度可配置的。

Naik说,基本上,研究人员通过将一个单元素系统(灯泡中的发光灯丝)分解成两个或更多个子单元来制作白炽光源。混合和匹配子单元可以为系统提供各种功能。

“以前的论文都是关于提高太阳能电池的效率,”电气和计算机工程助理教授Naik说。“这一次,突破在科学上比应用更多。基本上,我们的目标是建立具有特定属性的纳米级热光源,如在特定波长发射,或发出极亮或新的热光状态。

“以前,人们认为光源只是一个元素,并试图充分利用它,”他说。“但我们将光源分解成许多微小元素。我们将子元素放在一起,使它们相互作用。一个元素可以提供亮度;下一个元素可以调整以提供波长特异性。我们分担负担很多小零件。

“这个想法是依靠集体行为,而不仅仅是单一因素,”Naik说。“将灯丝分成许多部分,可以让我们更自由地设计功能。”

该系统依赖于非厄米特物理学,一种量子力学方法来描述消散能量的“开放式”系统 - 在这种情况下,加热而不是保留能量。在他们的实验中,Naik和Doiron结合了两种近纳米级无源振荡器,当加热到大约700摄氏度时,它们是电磁耦合的。Naik说,当金属振荡器发出热光时,它会触发耦合的硅盘存储光并以理想的方式释放。

Doiron说,发光谐振器的输出可以通过阻尼有损谐振器或通过谐振器之间的第三元件控制耦合电平来控制。“亮度和选择性权衡,”她说。“半导体为您提供高选择性但低亮度,而金属为您提供非常明亮的发光但选择性低。仅通过耦合这些元素,我们就可以获得两全其美的效果。”

“潜在的科学影响是,我们不仅可以通过两个元素来实现这一目标,还可以实现更多,”Naik说。“物理学不会改变。”

他指出,尽管商业白炽灯泡已经让位于LED的能源效率,但白炽灯仍然是生产红外线的唯一实用方法。“红外检测和传感都依赖于这些来源,”Naik说。“我们创造的是一种新方法,可以制造明亮,有方向性的光源,并在特定的状态和波长(包括红外线)发光。”

感知的机会在于系统的“特殊点”,他说。

“由于我们如何耦合这两个谐振器,因此存在光学相变,”Naik说。“这种情况发生的地方被称为特殊点,因为它对周围的任何扰动非常敏感。这使得这些设备适用于传感器。有传感器采用微型光学器件,但在使用纳米光子学的设备中没有显示任何内容。”

下一级经典计算的机会也很大。“国际半导体技术路线图(ITRS)了解到半导体技术正在达到饱和状态,他们正在考虑下一代交换机将取代硅晶体管,”Naik说。“ITRS预测它将是一个光学开关,并且它将使用奇偶校验时间对称的概念,就像我们在这里所做的那样,因为开关必须是单向的。它向我们想要的方向发光,没有一个回来,就像用于光而不是电的二极管。“

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