Onderzoekers van Princeton hebben nieuwe regels ontdekt die bepalen hoe objecten licht absorberen en uitstralen. het verfijnen van de controle van wetenschappers over licht en het stimuleren van onderzoek naar zonne- en optische apparaten van de volgende generatie.

De ontdekking lost een al lang bestaand schaalprobleem op, waar het gedrag van licht bij interactie met kleine objecten in strijd is met gevestigde fysieke beperkingen die op grotere schaal worden waargenomen.

"Het soort effecten dat je krijgt voor hele kleine objecten is anders dan het effect dat je krijgt van hele grote objecten, " zei Sean Molesky, een postdoctoraal onderzoeker in elektrotechniek en de eerste auteur van de studie. Het verschil kan worden waargenomen bij het verplaatsen van een molecuul naar een zandkorrel. "Je kunt niet beide dingen tegelijk beschrijven, " hij zei.

Het probleem komt voort uit de beroemde vormveranderende aard van licht. Voor gewone voorwerpen, de beweging van het licht kan worden beschreven door rechte lijnen, of stralen. Maar voor microscopische objecten, de golfeigenschappen van licht nemen het over en de nette regels van straaloptica vallen uiteen. De effecten zijn aanzienlijk. In belangrijke moderne materialen, waarnemingen op micronschaal toonden aan dat infrarood licht miljoenen keren meer energie per oppervlakte-eenheid uitstraalt dan straaloptica voorspelt.

De nieuwe regels, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven op 20 december vertel wetenschappers hoeveel infrarood licht een object van welke schaal dan ook kan absorberen of uitzenden, het oplossen van een decennia oude discrepantie tussen groot en klein. Het werk breidt een 19e-eeuws concept uit, bekend als een zwart lichaam, in een bruikbare moderne context. Blackbodies zijn geïdealiseerde objecten die licht absorberen en uitstralen met maximale efficiëntie.

"Er is veel onderzoek gedaan om in de praktijk te proberen te begrijpen, voor een bepaald materiaal, hoe men deze blackbody-limieten kan benaderen, " zei Alejandro Rodriguez, een universitair hoofddocent elektrotechniek en hoofdonderzoeker van de studie. "Hoe kunnen we een perfecte absorber maken? Een perfecte emitter?"

"Het is een heel oud probleem dat veel natuurkundigen, waaronder Planck, Einstein en Boltzmann - pakten het al vroeg aan en legden de basis voor de ontwikkeling van de kwantummechanica."

Een groot aantal eerder werk heeft aangetoond dat het structureren van objecten met nanoschaalkenmerken de absorptie en emissie kan verbeteren, effectief fotonen opsluiten in een kleine spiegelzaal. Maar niemand had de fundamentele grenzen van het mogelijke gedefinieerd, belangrijke vragen over de beoordeling van een ontwerp open laten.

Niet langer beperkt tot brute-force trial and error, het nieuwe controleniveau stelt ingenieurs in staat om ontwerpen wiskundig te optimaliseren voor een breed scala aan toekomstige toepassingen. Het werk is vooral belangrijk in technologieën zoals zonnepanelen, optische schakelingen en kwantumcomputers.

Momenteel, de bevindingen van het team zijn specifiek voor thermische lichtbronnen, als de zon of als een gloeilamp. Maar de onderzoekers hopen het werk verder te veralgemenen om het eens te worden met andere lichtbronnen, zoals LED's, vuurvliegjes, of vonkontladingen van elektriciteit.