Wat kan worden gezien als 's werelds kleinste gloeilamp schijnt in een technisch laboratorium van de Rice University met de belofte van vooruitgang in het waarnemen, fotonica en misschien computerplatforms voorbij de beperkingen van silicium.

Gururaj Naik van Rice's Brown School of Engineering en afgestudeerde student Chloe Doiron hebben onconventionele "selectieve thermische emitters" verzameld - verzamelingen van bijna nanoschaalmaterialen die warmte absorberen en licht uitstralen.

Hun onderzoek, gemeld in Geavanceerde materialen , one-ups een recente techniek die door het laboratorium is ontwikkeld en waarbij koolstofnanobuisjes worden gebruikt om warmte van midden-infraroodstraling te kanaliseren om de efficiëntie van zonne-energiesystemen te verbeteren.

De nieuwe strategie combineert verschillende bekende fenomenen tot een unieke configuratie die ook warmte omzet in licht, maar in dit geval het systeem is zeer configureerbaar.

In principe, Naik zei, de onderzoekers maakten een gloeilamp door een systeem met één element - de gloeiende gloeidraad in een lamp - op te splitsen in twee of meer subeenheden. Het mixen en matchen van de subeenheden zou het systeem een ​​verscheidenheid aan mogelijkheden kunnen geven.

"Het vorige artikel ging helemaal over het efficiënter maken van zonnecellen, " zei Naik, een assistent-professor in elektrische en computertechniek. "Deze keer, de doorbraak zit meer in de wetenschap dan in de toepassing. In principe, ons doel was om een ​​thermische lichtbron op nanoschaal te bouwen met specifieke eigenschappen, zoals uitzenden op een bepaalde golflengte, of het uitzenden van extreem heldere of nieuwe thermische lichttoestanden.

"Eerder, mensen dachten dat een lichtbron slechts één element was en probeerden er het beste uit te halen, " zei hij. "Maar we breken de bron in vele kleine elementen. We zetten deelelementen zo bij elkaar dat ze op elkaar inwerken. Eén element kan helderheid geven; het volgende element zou kunnen worden afgestemd om golflengtespecificiteit te verschaffen. We delen de last over veel kleine onderdelen.

"Het idee is om te vertrouwen op collectief gedrag, niet slechts een enkel element, "Zei Naik. "Door de gloeidraad in veel stukken te breken, hebben we meer vrijheidsgraden om de functionaliteit te ontwerpen."

Het systeem is gebaseerd op niet-Hermitische fysica, een kwantummechanische manier om "open" systemen te beschrijven die energie dissiperen - in dit geval warmte - in plaats van deze vast te houden. In hun experimenten, Naik en Doiron combineerden twee soorten passieve oscillatoren op nanoschaal die elektromagnetisch gekoppeld zijn bij verhitting tot ongeveer 700 graden Celsius. Toen de metalen oscillator thermisch licht uitzond, het activeerde de gekoppelde siliciumschijf om het licht op te slaan en op de gewenste manier vrij te geven, zei Naik.

De output van de lichtgevende resonator, Doiron zei, kan worden geregeld door de verliesgevende resonator te dempen of door het koppelingsniveau te regelen via een derde element tussen de resonatoren. "Helderheid en selectiviteit wisselen elkaar af, "zei ze. "Halfgeleiders geven je een hoge selectiviteit maar lage helderheid, terwijl metalen je een zeer heldere emissie geven maar een lage selectiviteit. Alleen al door deze elementen te koppelen, we kunnen het beste van twee werelden krijgen."

"De potentiële wetenschappelijke impact is dat we dit niet alleen met twee elementen kunnen doen, maar nog veel meer, "Zei Naik. "De fysica zou niet veranderen."

Hij merkte op dat hoewel commerciële gloeilampen hebben plaatsgemaakt voor LED's vanwege hun energie-efficiëntie, gloeilampen zijn nog steeds het enige praktische middel om infrarood licht te produceren. "Infrarooddetectie en -detectie zijn beide afhankelijk van deze bronnen, " zei Naik. "Wat we hebben gecreëerd is een nieuwe manier om lichtbronnen te bouwen die helder zijn, gericht en zenden licht uit in specifieke toestanden en golflengten, inclusief infrarood."

De mogelijkheden voor detectie liggen op het "uitzonderlijke punt van het systeem, " hij zei.

"Er is een optische faseovergang vanwege de manier waarop we deze twee resonatoren hebben gekoppeld, " zei Naik. "Waar dit gebeurt, wordt het uitzonderlijke punt genoemd, omdat het uitzonderlijk gevoelig is voor elke verstoring eromheen. Dat maakt deze apparaten geschikt voor sensoren. Er zijn sensoren met optica op microschaal, maar er is niets aangetoond in apparaten die nanofotonica gebruiken."

De kansen kunnen ook geweldig zijn voor klassiek computergebruik van het volgende niveau. "De International Roadmap for Semiconductor Technology (ITRS) begrijpt dat de halfgeleidertechnologie verzadiging bereikt en ze denken na over welke switches van de volgende generatie siliciumtransistors zullen vervangen, " zei Naik. "ITRS heeft voorspeld dat het een optische schakelaar zal zijn, en dat het het concept van pariteitstijdsymmetrie zal gebruiken, zoals we hier doen, omdat de schakelaar unidirectioneel moet zijn. Het stuurt licht in de richting die we willen, en niemand komt terug, als een diode voor licht in plaats van elektriciteit."