Kan det finnas en ny typ av ljus i universum? Sedan slutet av 1800 -talet har forskare har förstått det, vid uppvärmning, alla material avger ljus i ett förutsägbart spektrum av våglängder. Forskning publicerad idag i Natur Vetenskapliga rapporter presenterar ett material som avger ljus vid uppvärmning som tycks överskrida gränserna i den naturlagen.

År 1900, Max Planck beskrev först matematiskt ett strålningsmönster och inledde kvanttiden med antagandet att energi bara kan existera i diskreta värden. Precis som en eldstad poker lyser glödande, ökande värme gör att alla material avger mer intensiv strålning, med toppen av det utsända spektrumet som skiftar till kortare våglängder när värmen stiger. I enlighet med Plancks lag, ingenting kan avge mer strålning än ett hypotetiskt objekt som absorberar energi perfekt, en så kallad "blackbody".

Det nya materialet som upptäcktes av Shawn Yu Lin, huvudförfattare och professor i fysik vid Rensselaer Polytechnic Institute, trotsar gränserna för Plancks lag, avger ett sammanhängande ljus som liknar det som produceras av lasrar eller lysdioder, men utan den kostsamma struktur som behövs för att producera stimulerat utsläpp av dessa tekniker. Förutom spektroskopi -studien som just publicerades i Natur Vetenskapliga rapporter , Lin publicerade tidigare en bildstudie i IEEE Photonics Journal . Båda visar en ökad strålning på cirka 1,7 mikron, som är den nära infraröda delen av det elektromagnetiska spektrumet.

"Dessa två papper ger det mest övertygande beviset för" super-Planckian "strålning i fjärran, "sa Lin." Detta bryter inte mot Plancks lag. Det är ett nytt sätt att generera termiska utsläpp, en ny underliggande princip. Detta material, och metoden som den representerar, öppnar en ny väg för att förverkliga superintensiv, justerbara LED-liknande infraröda sändare för termofotovoltaik och effektiva energitillämpningar. "

För hans forskning, Lin byggde en tredimensionell volframfotonkristall-ett material som kan styra egenskaperna hos en foton-med sex förskjutna lager, i en konfiguration som liknar en diamantkristall, och toppad med en optisk kavitet som ytterligare förfinar ljuset. Den fotoniska kristallen krymper det ljusspektrum som avges från materialet till ett intervall på cirka 1 mikrometer. Hålrummet fortsätter att pressa energin till ett spann på ungefär 0,07 mikrometer.

Lin har arbetat med att fastställa detta förskott i 17 år, sedan han skapade den första helmetalliska fotoniska kristallen 2002, och de två papper representerar de mest noggranna tester han har utfört.

"Experimentellt, det här är väldigt fast, och som experimentist, Jag står vid mina uppgifter. Ur ett teoretiskt perspektiv, ingen har ännu en teori för att helt förklara min upptäckt, "Sa Lin.

I både bild- och spektroskopistudien, Lin förberedde sitt prov och en svartkroppskontroll - en beläggning av vertikalt inriktade nanorör ovanpå materialet - sida vid sida på en enda bit kiselsubstrat, eliminera möjligheten till förändringar mellan testning av provet och kontroll som kan äventyra resultaten. I en experimentell vakuumkammare, provet och kontrollen upphettades till 600 grader Kelvin, cirka 620 grader Fahrenheit.

I Natur Vetenskapliga rapporter , Lin presenterar spektralanalys i fem positioner när bländaren för en infraröd spektrometer rör sig från en vy fylld med svartkroppen till ett av materialet. Topputsläpp, med en intensitet på 8 gånger större än blackbody -referensen, sker vid 1,7 mikrometer.

De IEEE Photonics Journal papper presenterade bilder tagna med en nästan infraröd konventionell laddningskopplad enhet, en kamera som kan fånga materialets förväntade strålningsemission.

Nyligen icke -relaterad forskning har visat en liknande effekt på ett avstånd av mindre än 2 termiska våglängder från provet, men Lins är det första materialet som visar superplanckisk strålning mätt från 30 centimeters avstånd (cirka 200, 000 våglängder), ett resultat som visar att ljuset helt har rymt från materialets yta.

Även om teorin inte helt förklarar effekten, Lin antar att förskjutningarna mellan lagren av fotonisk kristall låter ljuset komma fram från de många utrymmena inuti kristallen. Det utsända ljuset studsar fram och tillbaka inom kristallstrukturens ramar, som förändrar ljusets egenskap när det rör sig till ytan för att möta den optiska kaviteten.

"Vi tror att ljuset kommer inifrån kristallen, men det finns så många plan inom strukturen, så många ytor som fungerar som oscillatorer, så mycket upphetsning, att det beter sig nästan som ett konstgjort lasermaterial, "Lin sa." Det är bara inte en konventionell yta. "

Det nya materialet kan användas i applikationer som energiupptagning, militär infrarödbaserad objektspårning och identifiering, producera högeffektiva optiska källor i det infraröda drivet av spillvärme eller lokala värmare, forskning som kräver miljö- och atmosfärisk och kemisk spektroskopi i infrarött, och inom optisk fysik som en laserliknande termisk emitter.