宇宙中的一种新光？“超普朗克”材料发出的光超过了自然法的极限

宇宙中会不会有一种新的光？自19世纪末以来，科学家们已经了解到，当加热时，所有材料都会发出可预测波长范围内的光。今天发表在《自然科学报告》上的一项研究提出了一种材料，该材料在受热时会发光，看起来似乎超过了该自然法则所设定的极限。

1900年，马克斯·普朗克（Max Planck）首先用数学方法描述了辐射图，并假设能量只能以离散值存在，从而进入了量子时代。就像壁炉扑克发红光一样，热量的增加会使所有材料发出更强烈的辐射，随着热量的增加，发射光谱的峰值将移至较短的波长。按照普朗克定律，没有什么可以发射出比假设的物体吸收更多辐射的假设了，该物体可以完美地吸收能量，即所谓的“黑体”。

Rensselaer理工学院的主要作者兼物理学教授Shawn Yu Lin发现的新材料违反了普朗克定律的局限性，它发出的相干光类似于激光或LED产生的光，但是却没有制造这种材料所需的昂贵结构。刺激了这些技术的发射。除了刚刚在《自然科学报告》中发表的光谱研究之外，Lin先前还在IEEE Photonics Journal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，这是电磁波谱的近红外部分。

先进的“超级普朗克”材料在加热时会显示出类似于LED的光。

林说：“这两篇论文为远场的'超普朗克'辐射提供了最有说服力的证据。”“这没有违反普朗克的法律。这是产生热量的新方法，是一项新的基本原理。这种材料及其代表的方法，为实现用于热光电和高效能源应用的超强，可调谐LED状红外发射器开辟了一条新途径。”

对于他的研究，Lin用类似于金刚石晶体的配置构建了具有六个偏置层的三维钨光子晶体（一种可以控制光子特性的材料），并在其顶部放置了一个光学腔，进一步细化了光。光子晶体将材料发出的光谱缩小到大约1微米的范围。空腔继续将能量压缩到大约0.07微米的范围内。

自2002年创建第一个全金属光子晶体以来，林一直致力于实现这一进步已有17年了，这两篇论文代表了他所进行的最严格的测试。

“从实验上讲，这是非常可靠的，作为实验者，我支持我的数据。从理论的角度来看，还没有人能完全解释我的发现。”

在成像和光谱学研究中，Lin准备了他的样品和一个黑体对照物-一种在材料顶部垂直排列的纳米管涂层-在一块硅基板上并排放置，从而消除了测试样品和样品之间变化的可能性。可能会影响结果的控制。在实验真空室中，将样品和对照加热到600开氏温度，约620华氏度。

Lin在《自然科学报告》中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，其强度是黑体参考的8倍。

IEEE Photonics Journalpaper展示了使用近红外常规电荷耦合设备（可以捕获材料的预期辐射发射的相机）拍摄的图像。

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

尽管理论上并未完全解释这种效应，但Lin假设光子晶体各层之间的偏移允许光从晶体内部的许多空间中射出。发出的光在晶体结构的范围内来回反弹，这会改变光的性质，使其传播到表面以满足光学腔的需要。

林说：“我们相信光来自晶体内部，但是结构中有太多平面，有许多表面起着振荡器的作用，有太多的激发作用，因此其行为几乎像人造激光材料。”“这不是传统的表面。”

这种新材料可用于以下领域，例如能量收集，基于军事红外的物体跟踪和识别，在由废热或本地加热器驱动的红外中产生高效光源，需要红外环境，大气和化学光谱学的研究以及在光学物理学中是像激光一样的热辐射体。

伦斯勒科学学院院长柯特·布雷尼曼说：“这一令人兴奋且出乎意料的发现强调了进行范式转变的基础研究的重要性，这种基础研究可以改变物理学和材料科学领域的知识界限。”“我们为林教授及其团队引领新技术和变革性技术的发展感到自豪。”

参考：Shawn-Yu Lin，Mei-Li Hsieh，Sajeev John，B.Frey，James A.Bur，Ting-陆珊，王轩洁和Shankar Narayanan，2020年3月23日，科学报告。
10.1038 / s41598-020-62063-2

NSF授予ECCS-1840673-NOA（设备表征和建模）奖，DOE科学办公室授予“在光波长处从金属光子晶体发出的超普朗克热辐射的原位和直接确认”。 -FG02-06ER46347（设备制造）。在伦斯勒（Rensselaer），谢梅莉（Mi-Li Hsieh），B。Frey（B. Frey），詹姆斯A. Bur（James A. Bur），王选杰（Xuanjie Wang）和Shankar Narayanan以及多伦多大学的萨耶夫·约翰（Sajeev John）和桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratory）的卢廷山（Ting-Shan Luk）也加入了会议。