宇宙中会有一种新的光吗?自19世纪末以来,科学家们已经了解到,当加热时,所有物质材料都会以可预测的波长光谱发出光。现在发表在自然《科学报告》期刊上的一项研究提出了一种材料,它在受热时会发光,但似乎超过了自然规律设定的限制。1900年,马克斯·普朗克(Max Planck)首次在数学上描述了一种辐射模式,并在假设能量只能以离散值存在的情况下,开启了量子时代。

就像壁炉的火柴发出红光一样,不断增加的热量会导致所有物质材料发出更强烈的辐射,随着热量的持续上升,发射光谱的峰值会移动到更长的波长。根据普朗克定律,没有什么能比一个完全吸收能量的假想物体,也就是所谓的“黑体”发出更多辐射。

这一新材料由主要作者、伦斯勒理工学院物理学教授肖恩·雨霖发现:这种新材料打破了普朗克定律的限制,发出类似于激光或LED产生的相干光,但没有产生这些技术所需的昂贵结构。

(上图所示)“超普朗克”材料在加热时发出类似LED的超普朗克辐射光。

除了发表在自然《科学报告》期刊上的光谱学研究外,之前还在IEEE《光子学》期刊上发表了一项成像研究,两者都显示出约1.7微米的辐射峰值,这是电磁光谱的近红外部分。这两篇研究提供了远场‘超普朗克’辐射最令人信服的证据。

这并不违反普朗克定律,这是一种产生热发射的新方法,这是一种新的基本原理。这种材料及其所代表的方法,为实现超强、可调谐的类似LED红外发射器开辟了一条新途径,用于热光电和高效能源应用。

在研究中,建造了一种三维钨光子晶体(这是一种可以控制光子性质的材料)有六个偏移层,结构类似于钻石晶体,顶部有一个光腔,进一步细化了光。光子晶体将材料发出的光光谱缩小到大约1微米跨度,空腔继续将能量压缩到大约0.07微米的范围内。自从2002年创造了第一个全金属光子晶体以来,肖恩·雨霖已经为建立这一进步而努力了17年,这两篇研究论文代表了他进行的最严格测试。

肖恩·雨霖表示:在实验上,这是非常可靠的,作为一名实验者,我坚持我的数据,从理论的角度来看,还没有人有一个理论来完全解释我的发现。在成像和光谱研究中,准备样品和黑体对照(材料顶部垂直排列的纳米管涂层)并排在一块硅衬底上,消除了测试样品和对照之间可能会影响结果的变化可能性。在一个实验真空室中,样品和对照被加热到600开尔文。

自然《科学报告》期刊上的研究表明当红外光谱仪的孔径,从充满黑体的视野移动到其中一种材料时,在五个位置进行的光谱分析。峰值发射的强度比黑体参考值大8倍,出现在1.7微米处。

而IEEE《光子学》期刊上的研究展示了用近红外传统电荷耦合装置拍摄的图像,这种相机可以捕捉到材料的预期辐射发射。在距离样品不到2个热波长的地方也有类似效应,但新研究的该材料是第一个显示出超普朗克辐射的材料。

当从30厘米(约20万个波长)的距离测量时,这一结果表明光已经完全从材料的表面逃逸出来。虽然理论不能完全解释这种效应,但研究人员假设,光子晶体各层之间的偏移,能让光线从晶体内部的许多空间中射出。发射的光在晶体结构的范围内来回反弹,这改变了光的性质,因为它传播到表面以满足光学腔。研究认为光来自晶体内部,但结构内有如此多的平面,如此多的表面充当振荡器。

如此多的激发,以至于它的行为几乎就像一种人造激光材料,这不是一个传统的表面。这种新材料可用于能量采集、军用红外目标跟踪和识别、由余热或局部加热器驱动的红外产生高效光源、需要红外中的环境、大气和化学光谱的研究,以及作为类似激光热发射器的光学物理应用。

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博科园|研究/来自:伦斯勒理工学院

参考期刊《科学报告》《光子学》

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宇宙中会有新的光存在吗?超普朗克辐射光,终于被制造出来!

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宇宙中会有一种新的光吗?自19世纪末以来,科学家们已经了解到,当加热时,所有物质材料都会以可预测的波长光谱发出光。