Nye regler belyser, hvordan genstande absorberer og udsender lys

Princeton -forskere har afdækket nye regler for, hvordan objekter absorberer og udsender lys, finjustering af forskeres kontrol over lys og øget forskning i næste generations sol- og optiske enheder.

Opdagelsen løser et mangeårigt problem med skala, hvor lysets adfærd ved interaktion med bittesmå objekter krænker veletablerede fysiske begrænsninger observeret på større skalaer.

"Den slags effekter, du får for meget små objekter, adskiller sig fra de effekter, du får fra meget store objekter, "sagde Sean Molesky, en postdoktor i elektroteknik og undersøgelsens første forfatter. Forskellen kan observeres i at flytte fra et molekyle til et sandkorn. "Du kan ikke samtidig beskrive begge ting, " han sagde.

Problemet stammer fra lysets berømte formskiftende natur. For almindelige genstande, lysets bevægelse kan beskrives ved lige linjer, eller stråler. Men for mikroskopiske objekter, lysets bølgeegenskaber overtager, og de pæne regler for stråleoptik bryder sammen. Virkningerne er betydelige. I vigtige moderne materialer, observationer på mikronskala viste infrarødt lys, der udstråler millioner af gange mere energi pr. arealenhed end stråleoptik forudsiger.

De nye regler, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve den 20. december, fortæl forskere, hvor meget infrarødt lys et objekt i enhver skala kan forventes at absorbere eller udsende, løse en årtier gammel uoverensstemmelse mellem stort og småt. Værket udvider et koncept fra det 19. århundrede, kendt som en sort krop, ind i en nyttig moderne kontekst. Blackbodies er idealiserede objekter, der absorberer og udsender lys med maksimal effektivitet.

"Der er blevet forsket meget for at forsøge at forstå det i praksis, for et givet materiale, hvordan man kan nærme sig disse blackbody -grænser, "sagde Alejandro Rodriguez, en lektor i elektroteknik og undersøgelsens hovedforsker. "Hvordan kan vi lave en perfekt absorber? En perfekt emitter?"

"Det er et meget gammelt problem, som mange fysikere - herunder Planck, Einstein og Boltzmann - tacklede tidligt og lagde grundlaget for udviklingen af ​​kvantemekanik. "

En lang række tidligere arbejder har vist, at strukturering af objekter med nanoskala funktioner kan forbedre absorption og emission, effektivt fange fotoner i en lille sal af spejle. Men ingen havde defineret de grundlæggende grænser for de mulige, efterlader åbne store spørgsmål om, hvordan man vurderer et design.

Ikke længere begrænset til brute-force forsøg og fejl, det nye kontrolniveau vil give ingeniører mulighed for at optimere design matematisk til en lang række fremtidige applikationer. Arbejdet er især vigtigt inden for teknologier som solpaneler, optiske kredsløb og kvantecomputere.

I øjeblikket, holdets fund er specifikke for termiske lyskilder, som solen eller som en glødepære. Men forskerne håber at generalisere arbejdet yderligere for at være enige med andre lyskilder, som lysdioder, ildfluer, eller lysbuer af elektricitet.