一种神奇材料无视普朗克定律的限制 加热时表现出类似LED光

图片来源：Rensselaer Polytechnic Institute

宇宙中会有一种新的光吗？自19世纪后期以来，科学家们已经知晓，当加热时，所有物质都会发出可预测波长范围内的光。而3月23日发表在《自然科学报告》上的一项研究提出了一种材料，这种材料在加热时发出的光似乎超过了自然法则设定的限度。

1900年，马克斯·普朗克首次用数学方法描述了辐射模式，并以能量只能存在于离散值的假设开创了量子时代。就像壁炉里的拨火棍会发出炽热的红光一样，不断增加的热量会导致所有材料发出更强的辐射，随着热量的增加，发射光谱的峰值会转换为更短的波长。根据普朗克定律，没有什么能比完全吸收能量的假想物体，即所谓的“黑体”，释放出更多的辐射。

这一新材料由伦斯勒理工学院的物理学教授Shawn Yu Lin发现，无视普朗克定律的限制，发出激光或发光二极管产生的类似相干光， 但不需要昂贵的结构来产生受激发射的这些技术。

除了发表在《自然科学报告》上的光谱学研究外，Shawn Yu Lin还在《IEEE光子学杂志》上发表了一项成像研究。两者都显示出约1.7微米的辐射峰值，这是电磁光谱的近红外部分。

“这两篇论文提供了‘超普朗克’辐射在远场存在的最有说服力的证据。” Shawn Yu Lin说，“这并不违反普朗克定律。这是一种产生热发射的新方法，一个新的基本原理。这种材料，以及它所代表的方法，开辟了一条实现超高强度、可调的Led类红外发射器的新途径，可用于热光电和高效能源应用。” 

在这一研究中，Shawn Yu Lin建立了一个三维钨光子晶体——一种可以控制光子特性的材料——有六个偏置层，结构类似于钻石晶体，顶部有一个光学腔，进一步细化了光线。光子晶体将材料发出的光谱缩小到大约1微米。光学腔继续将能量压缩到大约0.07微米的范围内。

自从Shawn Yu Lin在2002年创造了第一个全金属光子晶体以来，他已经为进一步研究努力了17年，这两篇论文代表了他所进行的最严格的测试。

“在实验上，这是非常可靠的，作为一个实验主义者，我坚持我的数据。从理论的角度来看，还没有人有理论能完全解释我的发现。”

在成像和光谱学研究中，Shawn Yu Lin将他的样品和黑体控制——在材料上垂直排列的纳米管涂层——并排放在一片硅衬底上，消除了样品测试和控制之间可能会影响结果的变化的可能性。在一个实验真空室中，样品和对照品被加热到600开尔文，大约620华氏度。

在《自然科学报告》中，Shawn Yu Lin介绍了随着红外光谱仪的孔径从充满黑体的视图移动到其中一种材料而在五个位置进行的光谱分析。 在1.7微米处出现峰值发射，强度是黑体参考的8倍。

IEEE光子学杂志的论文展示了用近红外常规电荷耦合装置拍摄的图像，这是一种能够捕捉材料预期辐射发射的照相机。 

最近的一项无关的研究表明，在距样品不到2个热波长的处也有类似的影响，但是当从30厘米的距离（约200,000个波长）处测量时，Shawn Yu Lin的材料是第一种显示超普朗克辐射的材料，结果显示了光从材料表面完全逸出。

虽然理论不能完全解释这种效应，但Shawn Yu Lin假设光子晶体层之间的偏移使得光可以从晶体内部的许多空间中发射出来。发射出的光在晶体结构的范围内来回反射，这就改变了光的性质，使其传播到表面以满足光学腔的需要。 

 “我们相信光线来自晶体内部，但晶体内部有很多平面，很多表面充当振荡器，有很多刺激，所以它的表现几乎像人造激光材料。” Shawn Yu Lin说，“这不是一个常规的表面。”

新材料可用于应用程序(如能量收获，军事红外线对象跟踪和识别、生产效率高在红外光学来源由废热或当地加热器，研究需要环境和大气和化学在红外光谱,和在光学物理般的热排放国。

这种新材料可用于许多领域，例如能量收集，基于军事红外线的物体跟踪和识别，在由废热或本地加热器驱动的红外线中产生高效光源，需要红外线的环境、大气和化学光谱学的研究等。

原文来源：https://phys.org/news/2020-03-advanced-super-planckian-material-led-like.html