68.1K
Может ли во Вселенной возникнуть новый вид света? С конца 19 века ученые поняли, что при нагревании все материалы излучают свет с предсказуемым спектром длин волн. Исследование, опубликованное в Nature Scientific Reports, представляет материал, который излучает свет при нагревании и выходит за пределы, установленные этим естественным законом.
В 1900 году Макс Планк впервые математически описал схему излучения и открыл квантовую эру, предположив, что энергия может существовать только в дискретных значениях. Увеличение температуры заставляет все материалы испускать более интенсивное излучение, при этом пик излучаемого спектра при нагревании смещается к коротким длинам волн. В соответствии с законом Планка, ничто не может испускать больше теплового излучения, чем гипотетический объект, который прекрасно поглощает энергию, так называемое «черное тело».
Новый материал, открытый Шоном Ю Лином, профессором физики в Политехническом институте Ренсселера (США), не поддается законам Планка, испуская когерентный свет, подобный тому, который генерируется лазерами или светодиодами, но без дорогостоящей структуры, необходимой для производства этих технологий.
«Этот материал и метод, который он представляет, открывают новый путь для создания сверхинтенсивных настраиваемых светодиодных инфракрасных излучателей и эффективного применения энергии», – заявляет Шон Ю Лин.
Для своего исследования Лин построил трехмерный вольфрамовый фотонный кристалл – материал, который может управлять свойствами фотона – с шестью смещенными слоями, в конфигурации, подобной кристаллу алмаза, и заключил его в оптический резонатор, который дополнительно очищает свет. Фотонный кристалл сжимает спектр света, излучаемого материалом, до диапазона около 1 микрометра. Резонатор продолжает сжимать энергию в диапазоне примерно 0,07 микрометра.
«Я подтверждаю исследование экспериментом. С теоретической точки зрения, еще ни у кого нет теории, которая могла бы полностью объяснить мое открытие», – говорит Шон Ю Лин.
В исследовании Лин подготовил свой образец и контрольный элемент черного тела – покрытие из вертикально выровненных нанотрубок поверх материала – бок о бок на одном кусочке кремниевой подложки, исключив возможность изменений между опытами, которые могли поставить под угрозу результаты. В экспериментальной вакуумной камере образец и контрольное тело нагревали до примерно 330 градусов Цельсия. В результате интенсивность пикового излучения образца в 8 раз превысила эталон черного тела.
Хотя теория не полностью объясняет этот эффект, Лин выдвигает гипотезу, что смещения между слоями фотонного кристалла позволяют свету выходить изнутри многих пространств внутри кристалла. Излучаемый свет отражается назад и вперед в пределах кристаллической структуры, которая изменяет свойство света при его движении к поверхности.
«Мы считаем, что свет исходит изнутри кристалла, но в структуре так много плоскостей, так много поверхностей, которые действуют как осцилляторы, так много возбуждения, что он ведет себя почти как искусственный лазерный материал. Это просто не обычная поверхность», – рассуждает Шон Ю Лин.
Новый материал может использоваться в таких областях, как сбор энергии, отслеживание и идентификация объектов на базе военного инфракрасного излучения, создание высокоэффективных оптических источников в инфракрасном диапазоне, управляемых отработанным теплом или локальными нагревателями, в исследованиях, требующих экологической, атмосферной и химической спектроскопии в инфракрасном диапазоне, а также в оптической физике в роли лазероподобного теплового излучателя.