Quella che può essere considerata la lampadina a incandescenza più piccola del mondo brilla in un laboratorio di ingegneria della Rice University con la promessa di progressi nel rilevamento, fotonica e forse piattaforme di calcolo oltre i limiti del silicio.

Gururaj Naik della Brown School of Engineering di Rice e la studentessa Chloe Doiron hanno assemblato "emettitori termici selettivi" non convenzionali, raccolte di materiali quasi nanometrici che assorbono calore ed emettono luce.

La loro ricerca, segnalato in Materiale avanzato , one-ups una recente tecnica sviluppata dal laboratorio che utilizza nanotubi di carbonio per incanalare il calore dalla radiazione del medio infrarosso per migliorare l'efficienza dei sistemi di energia solare.

La nuova strategia combina diversi fenomeni noti in una configurazione unica che trasforma anche il calore in luce, ma in questo caso, il sistema è altamente configurabile.

Fondamentalmente, Naik ha detto, i ricercatori hanno realizzato una sorgente di luce a incandescenza scomponendo un sistema a un elemento, il filamento incandescente in una lampadina, in due o più subunità. Mescolare e abbinare le subunità potrebbe dare al sistema una varietà di capacità.

"Il documento precedente riguardava il rendere le celle solari più efficienti, " ha detto Naik, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica. "Questa volta, la svolta è più nella scienza che nell'applicazione. Fondamentalmente, il nostro obiettivo era costruire una sorgente di luce termica su nanoscala con proprietà specifiche, come emettere a una certa lunghezza d'onda, o emettendo stati di luce termica estremamente luminosi o nuovi.

"In precedenza, la gente pensava a una fonte di luce come un solo elemento e cercava di trarne il meglio, " ha detto. "Ma noi spezziamo la fonte in molti piccoli elementi. Mettiamo insieme i sottoelementi in modo tale che interagiscono tra loro. Un elemento può dare luminosità; l'elemento successivo potrebbe essere sintonizzato per fornire specificità di lunghezza d'onda. Condividiamo l'onere tra tante piccole parti.

"L'idea è di fare affidamento su un comportamento collettivo, non solo un singolo elemento, " Ha detto Naik. "Rompere il filamento in molti pezzi ci dà più gradi di libertà per progettare la funzionalità".

Il sistema si basa sulla fisica non hermitiana, un modo quantomeccanico per descrivere i sistemi "aperti" che dissipano energia, in questo caso, calore, piuttosto che trattenerlo. Nei loro esperimenti, Naik e Doiron hanno combinato due tipi di oscillatori passivi su scala nanometrica che sono accoppiati elettromagneticamente quando riscaldati a circa 700 gradi Celsius. Quando l'oscillatore metallico emette luce termica, ha fatto scattare il disco di silicio accoppiato per immagazzinare la luce e rilasciarla nel modo desiderato, ha detto Naik.

L'uscita del risonatore a emissione di luce, Doiron ha detto, può essere controllato smorzando il risonatore con perdite o controllando il livello di accoppiamento tramite un terzo elemento tra i risonatori. "Luminosità e selettività si scambiano, " ha detto. "I semiconduttori ti danno un'alta selettività ma una bassa luminosità, mentre i metalli danno emissione molto brillante ma bassa selettività. Proprio accoppiando questi elementi, possiamo ottenere il meglio da entrambi i mondi".

"Il potenziale impatto scientifico è che possiamo farlo non solo con due elementi, ma molti altri, " Naik ha detto. "La fisica non cambierebbe".

Ha notato che sebbene le lampadine a incandescenza commerciali abbiano lasciato il posto ai LED per la loro efficienza energetica, le lampade ad incandescenza sono ancora l'unico mezzo pratico per produrre luce infrarossa. "Il rilevamento e il rilevamento a infrarossi si basano entrambi su queste fonti, " Ha detto Naik. "Quello che abbiamo creato è un nuovo modo di costruire sorgenti luminose che siano luminose, direzionale ed emettono luce in stati e lunghezze d'onda specifici, compresi gli infrarossi."

Le opportunità di rilevamento si trovano nel "punto eccezionale" del sistema, " Egli ha detto.

"C'è una transizione di fase ottica a causa di come abbiamo accoppiato questi due risonatori, " Naik ha detto. "Dove questo accade è chiamato il punto eccezionale, perché è eccezionalmente sensibile a qualsiasi perturbazione intorno ad esso. Ciò rende questi dispositivi adatti ai sensori. Esistono sensori con ottica a microscala, ma non è stato mostrato nulla in dispositivi che impiegano la nanofotonica."

Le opportunità possono essere ottime anche per l'informatica classica di livello successivo. "L'International Roadmap for Semiconductor Technology (ITRS) comprende che la tecnologia dei semiconduttori sta raggiungendo la saturazione e stanno pensando a quali switch di prossima generazione sostituiranno i transistor al silicio, " Naik ha detto. "ITRS ha previsto che sarà un interruttore ottico, e che utilizzerà il concetto di simmetria parità-tempo, come facciamo qui, perché l'interruttore deve essere unidirezionale. Invia luce nella direzione che vogliamo, e nessuno torna, come un diodo per la luce invece dell'elettricità."