Zou er een nieuw soort licht in het universum kunnen zijn? Sinds het einde van de 19e eeuw, wetenschappers hebben begrepen dat bij verhitting, alle materialen zenden licht uit in een voorspelbaar spectrum van golflengten. Onderzoek vandaag gepubliceerd in Natuur Wetenschappelijke rapporten presenteert een materiaal dat bij verhitting licht uitstraalt dat de door die natuurwet gestelde limieten lijkt te overschrijden.

in 1900, Max Planck beschreef eerst wiskundig een stralingspatroon en luidde het kwantumtijdperk in met de veronderstelling dat energie alleen in discrete waarden kan bestaan. Net zoals een haardpoker roodgloeiend gloeit, toenemende hitte zorgt ervoor dat alle materialen intensere straling uitzenden, waarbij de piek van het uitgezonden spectrum verschuift naar kortere golflengten als de warmte stijgt. In overeenstemming met de wet van Planck, niets kan meer straling uitzenden dan een hypothetisch object dat energie perfect absorbeert, een zogenaamd 'zwart lichaam'.

Het nieuwe materiaal ontdekt door Shawn Yu Lin, hoofdauteur en hoogleraar natuurkunde aan het Rensselaer Polytechnic Institute, tart de grenzen van de wet van Planck, een coherent licht uitstralen dat vergelijkbaar is met dat van lasers of leds, maar zonder de kostbare structuur die nodig is om de gestimuleerde emissie van die technologieën te produceren. Naast de spectroscopiestudie die zojuist is gepubliceerd in Natuur Wetenschappelijke rapporten , Lin publiceerde eerder een beeldvormend onderzoek in IEEE Photonics Journal . Beide vertonen een stralingspiek van ongeveer 1,7 micron, dat is het nabij-infrarode deel van het elektromagnetische spectrum.

"Deze twee artikelen bieden het meest overtuigende bewijs van 'super-Planckiaanse' straling in het verre veld, "zei Lin. "Dit is niet in strijd met de wet van Planck. Het is een nieuwe manier om thermische emissie te genereren, een nieuw onderliggend principe. Dit materiaal, en de methode die het vertegenwoordigt, opent een nieuwe weg om superintensieve, afstembare LED-achtige infraroodstralers voor thermofotovoltaïsche en efficiënte energietoepassingen."

Voor zijn onderzoek Lin bouwde een driedimensionaal wolfraam fotonisch kristal - een materiaal dat de eigenschappen van een foton kan regelen - met zes offsetlagen, in een configuratie die lijkt op een diamantkristal, en bekroond met een optische holte die het licht verder verfijnt. Het fotonische kristal verkleint het lichtspectrum dat door het materiaal wordt uitgestraald tot een spanwijdte van ongeveer 1 micrometer. De holte blijft de energie in een spanwijdte van ongeveer 0,07 micrometer persen.

Lin werkt al 17 jaar aan deze vooruitgang, sinds hij in 2002 het eerste volledig metalen fotonische kristal creëerde, en de twee documenten vertegenwoordigen de meest rigoureuze tests die hij heeft uitgevoerd.

"Experimenteel, dit is zeer solide, en als experimentator, Ik blijf bij mijn gegevens. Vanuit een theoretisch perspectief, niemand heeft nog een theorie om mijn ontdekking volledig te verklaren, ' zei Lin.

In zowel de beeldvormings- als spectroscopiestudie, Lin bereidde zijn monster en een blackbody-controle - een coating van verticaal uitgelijnde nanobuisjes bovenop het materiaal - naast elkaar op een enkel stuk siliciumsubstraat, het elimineren van de mogelijkheid van veranderingen tussen het testen van het monster en de controle die de resultaten in gevaar zouden kunnen brengen. In een experimentele vacuümkamer, het monster en de controle werden verwarmd tot 600 graden Kelvin, ongeveer 620 graden Fahrenheit.

In Natuur Wetenschappelijke rapporten , Lin presenteert spectrale analyse genomen in vijf posities terwijl de opening van een infraroodspectrometer beweegt van een zicht gevuld met het zwarte lichaam naar een van de materialen. piek emissie, met een intensiteit die 8 keer groter is dan de blackbody-referentie, komt voor bij 1,7 micrometer.

De IEEE Photonics Journal op papier gepresenteerde afbeeldingen die zijn gemaakt met een nabij-infrarood conventioneel ladinggekoppeld apparaat, een camera die de verwachte stralingsemissie van het materiaal kan vastleggen.

Recent niet-gerelateerd onderzoek heeft een soortgelijk effect aangetoond op een afstand van minder dan 2 thermische golflengten van het monster, maar Lin's is het eerste materiaal dat super-Planckiaanse straling vertoont, gemeten vanaf een afstand van 30 centimeter (ongeveer 200, 000 golflengten), een resultaat dat laat zien dat het licht volledig van het oppervlak van het materiaal is ontsnapt.

Hoewel de theorie het effect niet volledig verklaart, Lin veronderstelt dat de verschuivingen tussen de lagen fotonisch kristal ervoor zorgen dat licht uit de vele ruimtes binnenin het kristal kan komen. Het uitgestraalde licht kaatst heen en weer binnen de grenzen van de kristalstructuur, die de eigenschap van het licht verandert terwijl het naar het oppervlak reist om de optische holte te ontmoeten.

"Wij geloven dat het licht van binnenuit het kristal komt, maar er zijn zoveel vlakken in de structuur, zoveel oppervlakken die als oscillatoren werken, zoveel opwinding, dat het zich bijna als een kunstmatig lasermateriaal gedraagt, "Zei Lin. "Het is gewoon geen conventioneel oppervlak."

Het nieuwe materiaal kan worden gebruikt in toepassingen zoals het oogsten van energie, het volgen en identificeren van objecten op basis van militaire infrarood, het produceren van hoogrenderende optische bronnen in het infrarood aangedreven door afvalwarmte of lokale kachels, onderzoek dat omgevings- en atmosferische en chemische spectroscopie in het infrarood vereist, en in optische fysica als een laserachtige thermische emitter.