[논문 리뷰] Arbitrarily polarized and unidirectional emission from thermal metasurfaces

J. Ryan Nolen, Adam Overvig외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 28.

Metamaterials and Metasurfaces Applications인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 지오메트릭 위상 제어를 이용해 연속체 내의 광학 바운드 상태를 국소적으로 조정하여 임의의 편광을 갖는 단일층 메타표면이 단방향, 협대역 적외선 열복사를 방출함을 보여준다.

ABSTRACT

Thermal emission from a hot body is ubiquitous, yet its properties remain inherently challenging to control due to its incoherent nature. Recent advances in thermal emission manipulation have been unveiling exciting phenomena and new opportunities for applications. In particular, judiciously patterned nanoscale features over their surface have been shown to channel emission sources into partially coherent beams with tailored directionality and frequency selectivity. Yet, more sophisticated forms of control, such as spin-selective and unidirectional thermal emission have remained elusive. Here, we experimentally demonstrate single-layer metasurfaces emitting unidirectional, narrowband thermal light in the infrared with arbitrary polarization states - an operation enabled by photonic bound states in the continuum locally tailored by a geometric phase controlling the temporal and spatial coherence of emitted light. The demonstrated platform paves the way to a compactification paradigm for metasurface optics, in which thermal emission or photoluminescence can feed arbitrarily patterned beams without the need of external coherent sources.

연구 동기 및 목표

• 전통적인 산란 확산 출력 너머의 비상호 열 방출에 대한 제어를 동기 부여하고 가능하게 한다.
• 메타표면 패턴이 열 방출을 단방향, 편광-맞춤 빔으로 채널링할 수 있음을 보여준다.
• 외부의 코히어런스 소스 없이도 열 방출을 선택적으로 조향할 수 있는 플랫폼을 실현한다.

제안 방법

• 연속체 바운드 상태를 통해 방출을 조작하기 위해 메타표면의 나노 규모 특징을 패턴화한다.
• 기하 위상 제어를 사용하여 방출의 시간적 및 공간적 코히어런스를 맞춘다.
• 단층 구조에서 임의의 편광을 갖는 단방향의 협대역 적외선 방출을 실험적으로 시연한다.
• 연속체 바운드 상태의 지역적 조정을 통해 방출 방향성과 편광에 미치는 영향을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일층 메타표면이 단방향 열 방출과 협대역으로 달성할 수 있는가?
• RQ2 임의의 편광 상태를 열 메타표면에서 방출하면서 방향성을 유지할 수 있는가?
• RQ3 연속체 바운드 상태와 기하 위상은 열 방출의 코히어런스 제어에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 외부 코히어런스 소스 없이도 소형 메타표면 기반 열 방출기에 대한 실용적 시사점은 무엇인가?

주요 결과

• 열 메타표면에서 단방향, 협대역 적외선 열 방출의 시연.
• 방출 편광은 임의로 선택할 수 있어 서로 다른 편광 상태를 가능하게 함.
• 광학 바운드 상태를 지역적으로 조정해 기하 위상 메커니즘을 통해 방출을 제어.
• 이 접근법은 외부 코히어런스 소스 없이도 패턴화된 열 빔을 가능하게 함.