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ライス大学、可変ナノスケール白熱電球を開発

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October, 25, 2019, Houston--ライス大学ブラウン工学部、Gururaj Naikの院生、Chloe Doironは、熱を吸収し、光を放出するナノスケールの材料を集結して、これまでにない「選択的熱エミッタ」を作製した。
 研究成果は、Advanced Materialsに発表されている。その研究は、カーボンナノチューブを使って中赤外放射からの熱を導き、太陽エネルギーシステムの効率を改善する同Labで開発された最近の技術に一歩先んじている。
 その新構想は、複数の既知の現象を、熱を光に変換する独自の構成に統合する。しかしこの場合、同システムは設定変更可能である。
 電気・コンピュータ工学准教授、Gururaj Naikによると、基本的に、研究チームは1素子システム2つ以上のサブユニットにブレイクダウンすることで、白熱電球を作った。そのサブユニットの混合とマッチングによりシステムに多様な機能を持たせることができる。
 「以前の論文は、太陽電池をもっと効率的にするというものだった。今回のブレイクスルーは、アプリケーションと言うよりもっと科学的である。基本的にわれわれの目標は、特別な特性を持つナノスケールの熱光源を構築することだった。一定の波長で発光する、高輝度、新しい熱発光のようなものである」とNaik。
 「以前は、光源は単に一つの素子(エレメント)として考えられており、その最高のものを得ようとしていた。しかし、われわれはその光源を多くの微小な素子に分解する。われわれは、サブエレメントを相互作用するように構築する。1つのエレメントは輝度を担い、次のエレメントは特殊波長が出るように調整できる。われわれは、多くの微小パーツで負荷を共有する。
 「その考えは、単一エレメントではなく集合的動作に依存する。フィラメントを多くのピースに分けることで、われわれはその機能設計で自由度が増す」と同氏は話している。
 そのシステムは、非エルミート物理学に依存している。これはエネルギーを保持するのではなく散逸させる「オープン」なシステムを記述する量子力学的方法である。実験では、研究チームは、約700℃に加熱されると電磁気的に結合する2種類のほぼナノスケールのパッシブ発振器を結合した。金属発振器が熱光線を出すと、熱を蓄積するための結合シリコンディスクを始動して、望む方法で光を放出させる、Naikは説明している。
 発光共振器の出力は、Doironによると、損失の多い共振器を捨てることで、または共振器間の第3エレメントにより結合レベルを制御することでコントロールできる。「輝度と選択性はトレードオフである。半導体は、高い選択性を持つが低輝度である、一方金属は非常に高輝度であるが、選択性は低い。これらのエレメントを結合することで、われわれは両方の世界のベストを達成することが可能になる」とDoironは説明している。
 「潜在的な科学的効果は、われわれが、わずか2エレメントでこれができることである、多くのではない。物理学は変わらない」。
 商用白熱電球は、エネルギー効率でLEDsに道を譲ったが、白熱電球は、まだ赤外光生成の唯一の手段である。「赤外検出とセンシングの両方ともこの光源に依存している。われわれが実現したものは、高輝度、指向性の光源を造る新しい方法である。これは、赤外を含む特殊な状態、波長で光を放出する」とNaikは説明している。
 同紙によると、センシングのチャンスは、システムの「除外点」にある。
 「これら2つの共振器の結合方法により、光位相変化が生ずる。これが起こるところを除外点と呼ぶ。その周囲のどんな擾乱にも非常に影響されやすいからである。そのため、これらのデバイスはセンサに適している。マイクロスケール・オブティクスのセンサはあるが、ナノフォトニクスを利用するデバイスには何も現れていない」とNaikは言う。
 次世代古典コンピューティングでも、チャンスは非常に大きい。「半導体技術国際ロードマップ(ITRS)の理解では、半導体技術は飽和状態に達しつつある、次世代スイッチは、Siトランジスタに取って代わると考えられている。ITRSは、それは光スイッチになると予測している。また、それは、われわれがここで示したように、パリティ時間対称性というコンセプトを利用する。そのスイッチは一方向でなければならないからである。それは、光をわれわれが望む方向に送るが、何も戻ってこない。これは、光のダイオードにようであり、電気ではない」と同氏は説明している。