宇宙中會有一種新的光嗎?超普朗克輻射光,終於被製造出來!

2020-11-30 騰訊網

宇宙中會有一種新的光嗎？自19世紀末以來，科學家們已經了解到，當加熱時，所有物質材料都會以可預測的波長光譜發出光。現在發表在自然《科學報告》期刊上的一項研究提出了一種材料，它在受熱時會發光，但似乎超過了自然規律設定的限制。1900年，馬克斯·普朗克(Max Planck)首次在數學上描述了一種輻射模式，並在假設能量只能以離散值存在的情況下，開啟了量子時代。

就像壁爐的火柴發出紅光一樣，不斷增加的熱量會導致所有物質材料發出更強烈的輻射，隨著熱量的持續上升，發射光譜的峰值會移動到更長的波長。根據普朗克定律，沒有什麼能比一個完全吸收能量的假想物體，也就是所謂的「黑體」發出更多輻射。

這一新材料由主要作者、倫斯勒理工學院物理學教授肖恩·雨霖發現：這種新材料打破了普朗克定律的限制，發出類似於雷射或LED產生的相干光，但沒有產生這些技術所需的昂貴結構。

（上圖所示）「超普朗克」材料在加熱時發出類似LED的超普朗克輻射光。

除了發表在自然《科學報告》期刊上的光譜學研究外，之前還在IEEE《光子學》期刊上發表了一項成像研究，兩者都顯示出約1.7微米的輻射峰值，這是電磁光譜的近紅外部分。這兩篇研究提供了遠場『超普朗克』輻射最令人信服的證據。

這並不違反普朗克定律，這是一種產生熱發射的新方法，這是一種新的基本原理。這種材料及其所代表的方法，為實現超強、可調諧的類似LED紅外發射器開闢了一條新途徑，用於熱光電和高效能源應用。

在研究中，建造了一種三維鎢光子晶體（這是一種可以控制光子性質的材料）有六個偏移層，結構類似於鑽石晶體，頂部有一個光腔，進一步細化了光。光子晶體將材料發出的光光譜縮小到大約1微米跨度，空腔繼續將能量壓縮到大約0.07微米的範圍內。自從2002年創造了第一個全金屬光子晶體以來，肖恩·雨霖已經為建立這一進步而努力了17年，這兩篇研究論文代表了他進行的最嚴格測試。

肖恩·雨霖表示：在實驗上，這是非常可靠的，作為一名實驗者，我堅持我的數據，從理論的角度來看，還沒有人有一個理論來完全解釋我的發現。在成像和光譜研究中，準備樣品和黑體對照（材料頂部垂直排列的納米管塗層）並排在一塊矽襯底上，消除了測試樣品和對照之間可能會影響結果的變化可能性。在一個實驗真空室中，樣品和對照被加熱到600開爾文。

自然《科學報告》期刊上的研究表明當紅外光譜儀的孔徑，從充滿黑體的視野移動到其中一種材料時，在五個位置進行的光譜分析。峰值發射的強度比黑體參考值大8倍，出現在1.7微米處。

而IEEE《光子學》期刊上的研究展示了用近紅外傳統電荷耦合裝置拍攝的圖像，這種相機可以捕捉到材料的預期輻射發射。在距離樣品不到2個熱波長的地方也有類似效應，但新研究的該材料是第一個顯示出超普朗克輻射的材料。

當從30釐米（約20萬個波長）的距離測量時，這一結果表明光已經完全從材料的表面逃逸出來。雖然理論不能完全解釋這種效應，但研究人員假設，光子晶體各層之間的偏移，能讓光線從晶體內部的許多空間中射出。發射的光在晶體結構的範圍內來回反彈，這改變了光的性質，因為它傳播到表面以滿足光學腔。研究認為光來自晶體內部，但結構內有如此多的平面，如此多的表面充當振蕩器。

如此多的激發，以至於它的行為幾乎就像一種人造雷射材料，這不是一個傳統的表面。這種新材料可用於能量採集、軍用紅外目標跟蹤和識別、由余熱或局部加熱器驅動的紅外產生高效光源、需要紅外中的環境、大氣和化學光譜的研究，以及作為類似雷射熱發射器的光學物理應用。

博科園｜研究/來自：倫斯勒理工學院

參考期刊《科學報告》《光子學》

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