新材料違反普朗克定律,發(fā)出相干光類似于LED產(chǎn)生的光

發(fā)光是物質(zhì)的一種非熱輻射的光發(fā)射，其延續(xù)時間比光的振動周期長很多(?10-14秒)。發(fā)光和白熾燈這類的熾熱物體的熱輻射不同.熱輻射的基本性質(zhì)不隨發(fā)熱體的性質(zhì)而異，發(fā)光則反映材料的特征。發(fā)光是外界因素光電輻射等等)和物質(zhì)相互作用的一種結(jié)果. 外界的作用一旦停止，發(fā)光也將停止，但有一個延續(xù)時間，比光的振動周期(10-14秒數(shù)量級)長很多。這個特點是蘇聯(lián)科學(xué)家Vavilov指出來的，可以靠它把發(fā)光和其它種類的光發(fā)射如散射、反射等區(qū)別開來。

自19世紀(jì)末以來，科學(xué)家們已經(jīng)了解到，加熱時，所有材料都會發(fā)出可預(yù)測波長范圍內(nèi)的光。今天發(fā)表在《Nature Scientific Reports》上的研究提出了一種材料，該材料在受熱時會發(fā)光，看起來似乎超過了該自然法則所設(shè)定的極限。1900年，馬克斯·普朗克(Max Planck)首先用數(shù)學(xué)方法描述了輻射圖，并假設(shè)能量只能以離散值存在，從而進入了量子時代。就像壁爐發(fā)紅光一樣，熱量增加會使所有材料發(fā)出更強烈的輻射，隨著熱量的升高，發(fā)射光譜的峰值將移至較短的波長。按照普朗克定律，沒有什么可以發(fā)射出比假設(shè)的物體吸收更多的輻射的假設(shè)了，它完全吸收能量，即所謂的“黑體”。

倫斯勒理工學(xué)院的物理學(xué)教授，同時也是該研究論文的第一作者肖恩·于林(Shawn Yu Lin)發(fā)現(xiàn)的新材料違反了普朗克定律的局限性，它發(fā)出的相干光類似于激光或LED產(chǎn)生的光，但是卻沒有制造這種材料所需的昂貴結(jié)構(gòu)。除了剛剛在《Nature Scientific Reports》上發(fā)表的光譜研究之外，Lin先前還在IEEE Photonics Journal上發(fā)表了一項成像研究。兩者都顯示出約1.7微米的輻射峰值，這是電磁頻譜的近紅外部分。

Lin說：“這兩篇論文為遠場的'超普朗克'輻射提供了最有說服力的證據(jù)。這沒有違反普朗克定律。這是一種產(chǎn)生熱量的新方法，是一種新的基本原理。這種材料及其所代表的方法，為實現(xiàn)超強、可調(diào)諧的類似于LED的紅外發(fā)射器開辟了一條新途徑?！?

在他的研究中，Lin用類似于金剛石晶體的配置構(gòu)建了具有六個偏置層的三維鎢光子晶體(一種可以控制光子特性的材料)，并在頂部放置了一個光學(xué)腔，進一步細化了光。光子晶體將材料發(fā)出的光譜縮小到大約1微米的范圍?？涨焕^續(xù)將能量壓縮到大約0.07微米的范圍內(nèi)。

自2002年創(chuàng)建第一個全金屬光子晶體以來，Lin一直致力于此已有17年，而這兩篇論文代表了他所進行的最嚴(yán)格的測試。Lin說：“從實驗上講，這是非常堅實的，作為實驗者，我支持我的數(shù)據(jù)。從理論的角度來看，還沒有人能完全解釋我的發(fā)現(xiàn)。”

在成像和光譜學(xué)研究中，Lin將他的實驗樣品和一個黑體對照物(在材料頂部上垂直排列的納米管涂層)并排放在一塊硅基板上，消除了在測試樣品和控制之間發(fā)生變化的可能性，這可能會影響結(jié)果。在實驗真空室中，將樣品和對照物加熱到600開氏溫度，約620華氏度。

在《Nature Scientific Reports》中，Lin展示了隨著紅外光譜儀的孔徑從充滿黑體的視圖移動到其中一種材料在五個位置的光譜分析。在1.7微米處出現(xiàn)峰值發(fā)射，強度是黑體參考的8倍。在IEEE光子學(xué)雜志的論文中提出了用近紅外常規(guī)電荷耦合器件拍攝的圖像，這是一種能夠捕獲材料預(yù)期輻射的相機。

林說：“我們相信光是來自晶體內(nèi)部的，但是結(jié)構(gòu)中有許多平面，有許多表面起著振蕩器的作用，有如此多的激發(fā)，因此其行為幾乎像人造激光材料。這不是常規(guī)表面?！?

最近的一項研究表明，在距樣品不到2個熱波長的距離處也有類似的影響，但是當(dāng)從30厘米的距離(約200,000個波長)處測量時，林氏材料是第一種顯示超普朗克輻射的材料，結(jié)果顯示了光已經(jīng)從材料表面完全逸出。盡管理論上不能完全解釋這種影響，但Lin假設(shè)光子晶體各層之間的偏移允許光從晶體內(nèi)部的許多空間中射出。發(fā)出的光在晶體結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)來回反彈，這會改變光的特性，使其傳播到表面以滿足光學(xué)腔的需要。這種新材料可用于以下領(lǐng)域，例如能量收集，基于軍事紅外的物體跟蹤和識別，由廢熱或本地加熱器驅(qū)動的紅外中產(chǎn)生高效光源，需要紅外環(huán)境、大氣和化學(xué)光譜學(xué)的研究以及在光學(xué)物理學(xué)中是像激光一樣的熱輻射體。