Avanceret superplankisk materiale udviser LED-lignende lys, når det opvarmes

Kunne der være en ny slags lys i universet? Siden slutningen af ​​1800 -tallet har videnskabsmænd har forstået, at ved opvarmning, alle materialer udsender lys i et forudsigeligt spektrum af bølgelængder. Forskning offentliggjort i dag i Natur Videnskabelige rapporter præsenterer et materiale, der udsender lys, når det opvarmes, og som ser ud til at overskride grænserne fastsat af den naturlov.

I 1900, Max Planck beskrev først matematisk et strålingsmønster og indledte kvanteæraen med den antagelse, at energi kun kan eksistere i diskrete værdier. Ligesom en pejs poker lyser rødglødende, stigende varme får alle materialer til at udsende mere intens stråling, hvor toppen af ​​det udsendte spektrum skifter til kortere bølgelængder, når varmen stiger. I overensstemmelse med Plancks lov, intet kan udsende mere stråling end et hypotetisk objekt, der absorberer energi perfekt, en såkaldt "blackbody".

Det nye materiale opdaget af Shawn Yu Lin, hovedforfatter og professor i fysik ved Rensselaer Polytechnic Institute, trodser grænserne for Plancks lov, udsender et sammenhængende lys svarende til det, der produceres af lasere eller LED'er, men uden den kostbare struktur, der er nødvendig for at producere den stimulerede emission af disse teknologier. Ud over den spektroskopiundersøgelse, der netop er offentliggjort i Natur Videnskabelige rapporter , Lin har tidligere offentliggjort en billeddannelsesundersøgelse i IEEE Photonics Journal . Begge viser en stigning i stråling på omkring 1,7 mikron, som er den nær-infrarøde del af det elektromagnetiske spektrum.

"Disse to papirer giver det mest overbevisende bevis for" super-Planckian "stråling i det fjerne felt, " sagde Lin. "Dette er ikke i strid med Plancks lov. Det er en ny måde at generere termisk emission på, et nyt underliggende princip. Dette materiale, og den metode, den repræsenterer, åbner en ny vej til at realisere superintens, justerbare LED-lignende infrarøde emittere til termofotovoltaik og effektive energianvendelser."

For hans forskning, Lin byggede en tredimensionel wolfram fotonisk krystal - et materiale, der kan kontrollere egenskaberne af en foton - med seks offset lag, i en konfiguration, der ligner en diamantkrystal, og toppet med et optisk hulrum, der yderligere forfiner lyset. Den fotoniske krystal krymper lysspektret, der udsendes fra materialet, til et spænd på omkring 1 mikrometer. Hulrummet fortsætter med at presse energien ind i et spænd på omkring 0,07 mikrometer.

Lin har arbejdet på at etablere dette forskud i 17 år, siden han skabte den første helmetalliske fotoniske krystal i 2002, og de to papirer repræsenterer de mest strenge tests, han har udført.

"Eksperimentelt, dette er meget solidt, og som eksperimentelist, Jeg står ved mine data. Fra et teoretisk perspektiv, ingen har endnu en teori til fuldt ud at forklare min opdagelse, " sagde Lin.

I både billeddannelses- og spektroskopistudiet, Lin forberedte sin prøve og en sortlegemekontrol - en belægning af vertikalt justerede nanorør oven på materialet - side om side på et enkelt stykke siliciumsubstrat, eliminerer muligheden for ændringer mellem testning af prøven og kontrol, der kan kompromittere resultaterne. I et eksperimentelt vakuumkammer, prøven og kontrollen blev opvarmet til 600 grader Kelvin, omkring 620 grader Fahrenheit.

I Natur Videnskabelige rapporter , Lin præsenterer spektralanalyse taget i fem positioner, mens blænden på et infrarødt spektrometer bevæger sig fra en visning fyldt med den sorte krop til en af ​​materialet. Peak emission, med en intensitet på 8 gange større end blackbody -referencen, forekommer ved 1,7 mikrometer.

Det IEEE Photonics Journal papir præsenterede billeder taget med en nær-infrarød konventionel ladekoblet enhed, et kamera, der kan fange den forventede strålingsemission af materialet.

Nylig ikke-relateret forskning har vist en lignende effekt i en afstand på mindre end 2 termiske bølgelængder fra prøven, men Lin's er det første materiale, der viser superplankisk stråling, når det måles fra 30 centimeters afstand (ca. 200, 000 bølgelængder), et resultat, der viser, at lyset er flygtet fuldstændigt fra materialets overflade.

Selvom teorien ikke fuldt ud forklarer effekten, Lin antager, at forskydningerne mellem lagene af fotonisk krystal tillader lys at komme frem fra de mange rum inde i krystallen. Det udsendte lys hopper frem og tilbage inden for krystalstrukturens rammer, som ændrer lysets egenskaber, når det rejser til overfladen for at møde det optiske hulrum.

"Vi tror på, at lyset kommer inde fra krystallen, men der er så mange planer i strukturen, så mange overflader, der fungerer som oscillatorer, så meget spænding, at den opfører sig næsten som et kunstigt lasermateriale, "Sagde Lin." Det er bare ikke en konventionel overflade. "

Det nye materiale kan bruges i applikationer som energihøst, militær infrarød-baseret objektsporing og identifikation, producere højeffektive optiske kilder i det infrarøde drev drevet af spildvarme eller lokale varmeapparater, forskning, der kræver miljø- og atmosfærisk og kemisk spektroskopi i det infrarøde, og i optisk fysik som en laserlignende termisk emitter.