Det som kan ses som världens minsta glödlampa lyser i ett tekniklaboratorium vid Rice University med löfte om framsteg inom avkänning, fotonik och kanske datorplattformar bortom kiselns begränsningar.

Gururaj Naik från Rice's Brown School of Engineering och doktorand Chloe Doiron har samlat okonventionella "selektiva termiska emitter"-samlingar av nära nanoskala material som absorberar värme och avger ljus.

Deras forskning, rapporterade i Avancerade material , one-ups en ny teknik som utvecklats av labbet som använder kolnanorör för att kanalisera värme från mitten av infraröd strålning för att förbättra effektiviteten i solenergisystem.

Den nya strategin kombinerar flera kända fenomen till en unik konfiguration som också gör värme till ljus - men i det här fallet, systemet är mycket konfigurerbart.

I grund och botten, Naik sa, forskarna gjorde en glödlampa genom att bryta ner ett ettelementsystem-den glödande glödtråden i en glödlampa-till två eller flera underenheter. Blandning och matchning av subenheterna kan ge systemet en mängd olika funktioner.

"Det tidigare papperet handlade om att göra solceller mer effektiva, "sa Naik, en biträdande professor i el- och datateknik. "Den här gången, genombrottet är mer inom vetenskapen än applikationen. I grund och botten, vårt mål var att bygga en nanoskala termisk ljuskälla med specifika egenskaper, som att avge vid en viss våglängd, eller avger extremt ljusa eller nya värmeljustillstånd.

"Tidigare, människor tänkte på en ljuskälla som bara ett element och försökte få ut det bästa av det, "sa han." Men vi delar källan i många små element. Vi sätter ihop delelement på ett sådant sätt att de interagerar med varandra. Ett element kan ge ljusstyrka; nästa element kan ställas in för att ge våglängdsspecificitet. Vi delar bördan mellan många små delar.

"Tanken är att förlita sig på kollektivt beteende, inte bara ett enda element, "Naik sa." Att bryta glödtråden i många bitar ger oss mer frihet att utforma funktionaliteten. "

Systemet bygger på icke-hermitisk fysik, ett kvantmekaniskt sätt att beskriva "öppna" system som sprider energi - i detta fall värme - snarare än att behålla den. I deras experiment, Naik och Doiron kombinerade två sorters passiva oscillatorer nära nanoskala som är elektromagnetiskt kopplade vid uppvärmning till cirka 700 grader Celsius. När metalloscillatorn avgav värmeljus, det utlöste den kopplade kiselskivan för att lagra ljuset och släppa på önskat sätt, Sa Naik.

Den ljusemitterande resonatorns utgång, Doiron sa, kan styras genom att dämpa den förlorande resonatorn eller genom att styra kopplingsnivån genom ett tredje element mellan resonatorerna. "Ljusstyrka och selektivitet byter ut, "sa hon." Halvledare ger dig hög selektivitet men låg ljusstyrka, medan metaller ger dig mycket ljusa utsläpp men låg selektivitet. Bara genom att koppla ihop dessa element, vi kan få det bästa av två världar. "

"Den potentiella vetenskapliga effekten är att vi kan göra det här inte bara med två element, men många fler, "Sa Naik." Fysiken skulle inte förändras. "

Han noterade att även om kommersiella glödlampor har gett plats för lysdioder för deras energieffektivitet, glödlampor är fortfarande det enda praktiska sättet att producera infrarött ljus. "Infraröd detektion och avkänning förlitar sig båda på dessa källor, "Sa Naik." Det vi har skapat är ett nytt sätt att bygga ljuskällor som är ljusa, riktning och avger ljus i specifika tillstånd och våglängder, inklusive infrarött. "

Möjligheterna till avkänning ligger vid systemets "exceptionella punkt, " han sa.

"Det finns en optisk fasövergång på grund av hur vi har kopplat dessa två resonatorer, "Sa Naik." Där detta händer kallas exceptionell punkt, eftersom det är exceptionellt känsligt för störningar runt det. Det gör dessa enheter lämpliga för sensorer. Det finns sensorer med mikroskalaoptik, men ingenting har visats på enheter som använder nanofotonik. "

Möjligheterna kan också vara stora för klassisk dator på nästa nivå. "Den internationella färdplanen för halvledarteknik (ITRS) förstår att halvledartekniken når mättnad och de funderar på vad nästa generations switchar kommer att ersätta kiseltransistorer, "Sa Naik." ITRS har förutspått att det kommer att vara en optisk switch, och att den kommer att använda begreppet paritet-tidssymmetri, som vi gör här, eftersom omkopplaren måste vara enkelriktad. Det sänder ljus i den riktning vi vill, och ingen kommer tillbaka, som en diod för ljus istället för elektricitet. "