Princeton -forskare har avslöjat nya regler för hur föremål absorberar och avger ljus, finjustera forskarnas kontroll över ljus och öka forskningen kring nästa generations sol- och optiska enheter.

Upptäckten löser ett mångårigt problem med skalan, där ljusets beteende vid interaktion med små föremål bryter mot väletablerade fysiska begränsningar som observerats vid större skalor.

"Den typ av effekter du får för mycket små objekt skiljer sig från effekterna du får från mycket stora objekt, "sa Sean Molesky, en postdoktor i elektroteknik och studiens första författare. Skillnaden kan observeras i att flytta från en molekyl till ett sandkorn. "Du kan inte samtidigt beskriva båda sakerna, " han sa.

Problemet härrör från ljusets berömda formskiftande natur. För vanliga föremål, ljusets rörelse kan beskrivas med raka linjer, eller strålar. Men för mikroskopiska föremål, ljusets vågegenskaper tar över och strålande optikregler bryts ner. Effekterna är betydande. I viktiga moderna material, observationer på mikronskala visade infrarött ljus som strålade ut vid miljontals gånger mer energi per ytenhet än stråloptik förutspår.

De nya reglerna, publicerad i Fysiska granskningsbrev den 20 december berätta för forskare hur mycket infrarött ljus ett föremål av vilken skala som helst kan förväntas absorbera eller avge, lösa en decennier gammal skillnad mellan stort och litet. Verket utökar ett 1800-talskoncept, känd som en svart kropp, in i ett nyttigt modernt sammanhang. Svartkroppar är idealiserade objekt som absorberar och avger ljus med maximal effektivitet.

"Det har gjorts mycket forskning för att försöka förstå i praktiken, för ett givet material, hur man kan närma sig dessa blackbody -gränser, "sa Alejandro Rodriguez, docent i elektroteknik och studiens huvudutredare. "Hur kan vi göra en perfekt absorberare? En perfekt emitter?"

"Det är ett mycket gammalt problem som många fysiker - inklusive Planck, Einstein och Boltzmann - tacklade tidigt och lade grunden för utvecklingen av kvantmekanik. "

Ett stort antal tidigare arbeten har visat att strukturering av objekt med nanoskala funktioner kan förbättra absorption och utsläpp, effektivt fånga fotoner i en liten spegelsal. Men ingen hade definierat de grundläggande gränserna för de möjliga, lämnar öppna stora frågor om hur man bedömer en design.

Inte längre begränsat till brute-force trial and error, den nya kontrollnivån gör det möjligt för ingenjörer att optimera konstruktioner matematiskt för ett brett spektrum av framtida applikationer. Arbetet är särskilt viktigt inom teknik som solpaneler, optiska kretsar och kvantdatorer.

För närvarande, teamets resultat är specifika för termiska ljuskällor, som solen eller som en glödlampa. Men forskarna hoppas kunna generalisera arbetet ytterligare för att komma överens med andra ljuskällor, som lysdioder, eldflugor, eller bågar av el.