Ένα νέο είδος φωτός στο σύμπαν; Το υλικό "Super-Planckian" εκπέμπει φως που υπερβαίνει τα όρια του φυσικού νόμου

Θα μπορούσε να υπάρχει ένα νέο είδος φωτός στο σύμπαν; 

Από τα τέλη του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες έχουν καταλάβει ότι, όταν θερμαίνονται, όλα τα υλικά εκπέμπουν φως σε ένα προβλέψιμο φάσμα μηκών κύματος. 

Η έρευνα που δημοσιεύθηκε σήμερα στο  Nature  Scientific Reports  παρουσιάζει ένα υλικό που εκπέμπει φως όταν θερμαίνεται που φαίνεται να υπερβαίνει τα όρια που ορίζει αυτός ο φυσικός νόμος.

Το 1900, ο Max Planck περιέγραψε πρώτα μαθηματικά ένα μοτίβο ακτινοβολίας και εγκαινίασε την κβαντική εποχή με την υπόθεση ότι η ενέργεια μπορεί να υπάρχει μόνο σε διακριτές τιμές. Ακριβώς όπως το τζάκι πόκερ ανάβει κόκκινο, η αυξανόμενη θερμότητα προκαλεί όλα τα υλικά να εκπέμπουν πιο έντονη ακτινοβολία, με την κορυφή του εκπεμπόμενου φάσματος να μετατοπίζεται σε μικρότερα μήκη κύματος καθώς αυξάνεται η θερμότητα. Σύμφωνα με τον νόμο του Planck, τίποτα δεν μπορεί να εκπέμψει περισσότερη ακτινοβολία από ένα υποθετικό αντικείμενο που απορροφά τέλεια την ενέργεια, ένα λεγόμενο «μαύρο σώμα».

Το νέο υλικό που ανακαλύφθηκε από τον Shawn Yu Lin, κύριο συγγραφέα και καθηγητή φυσικής στο Πολυτεχνικό Ινστιτούτο Rensselaer, αψηφά τα όρια του νόμου του Planck, εκπέμποντας ένα συνεκτικό φως παρόμοιο με αυτό που παράγεται από λέιζερ ή LED, αλλά χωρίς την δαπανηρή δομή που απαιτείται για την παραγωγή τόνισε την εκπομπή αυτών των τεχνολογιών. Εκτός από τη μελέτη φασματοσκοπίας που μόλις δημοσιεύθηκε στο  Nature  Scientific Reports , ο Lin δημοσίευσε προηγουμένως μια μελέτη απεικόνισης στο IEEE Photonics Journal . Και οι δύο δείχνουν μια ακίδα ακτινοβολίας περίπου 1,7 μικρά, που είναι το εγγύς υπέρυθρο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Το προηγμένο υλικό "Super-Planckian" παρουσιάζει φως σαν LED όταν θερμαίνεται. Πίστωση: Πολυτεχνικό Ινστιτούτο Rensselaer

«Αυτά τα δύο χαρτιά προσφέρουν τις πιο πειστικές ενδείξεις ακτινοβολίας« super-Planckian »στο μακρινό πεδίο», δήλωσε ο Lin. «Αυτό δεν παραβιάζει το νόμο του Πλάνκ. Είναι ένας νέος τρόπος δημιουργίας θερμικών εκπομπών, μια νέα βασική αρχή. Αυτό το υλικό, και η μέθοδος που αντιπροσωπεύει, ανοίγει ένα νέο δρόμο για την πραγματοποίηση υπερ-έντονων, συντονισμένων υπέρυθρων πομπών LED όπως θερμοφωτοβολταϊκών και αποδοτικών ενεργειακών εφαρμογών. "

Για την έρευνά του, ο Lin δημιούργησε έναν τρισδιάστατο φωτονικό κρύσταλλο βολφραμίου - ένα υλικό που μπορεί να ελέγξει τις ιδιότητες ενός φωτονίου - με έξι στρώματα όφσετ, σε μια διαμόρφωση παρόμοια με έναν διαμαντένιο κρύσταλλο, και με μια οπτική κοιλότητα που βελτιώνει περαιτέρω το φως . Ο φωτονικός κρύσταλλος συρρικνώνει το φάσμα του φωτός που εκπέμπεται από το υλικό σε μια έκταση περίπου 1 μικρομέτρου. Η κοιλότητα συνεχίζει να συμπιέζει την ενέργεια σε μια έκταση περίπου 0,07 μικρομέτρων.

Ο Λιν εργάζεται για να δημιουργήσει αυτήν την πρόοδο για 17 χρόνια, από τότε που δημιούργησε τον πρώτο μεταλλικό φωτονικό κρύσταλλο το 2002 και τα δύο χαρτιά αντιπροσωπεύουν τις πιο αυστηρές δοκιμές που έχει πραγματοποιήσει.

«Πειραματικά, αυτό είναι πολύ σταθερό, και ως πειραματικός, υποστηρίζω τα δεδομένα μου. Από θεωρητική άποψη, κανείς δεν έχει ακόμη μια θεωρία για να εξηγήσει πλήρως την ανακάλυψή μου », είπε ο Λιν.

Τόσο στη μελέτη απεικόνισης όσο και στη μελέτη φασματοσκοπίας, ο Lin ετοίμασε το δείγμα του και έναν έλεγχο μαύρου σώματος - μια επίστρωση κατακόρυφων ευθυγραμμισμένων νανοσωλήνων πάνω από το υλικό - δίπλα-δίπλα σε ένα μόνο κομμάτι υποστρώματος πυριτίου, εξαλείφοντας την πιθανότητα αλλαγών μεταξύ δοκιμής του δείγματος και έλεγχος που θα μπορούσε να θέσει σε κίνδυνο τα αποτελέσματα. Σε έναν πειραματικό θάλαμο κενού, το δείγμα και ο έλεγχος θερμάνθηκαν στους 600 βαθμούς Kelvin, περίπου 620 βαθμούς Φαρενάιτ .

Στο  Nature  Scientific Reports , ο Lin παρουσιάζει φασματική ανάλυση που λαμβάνεται σε πέντε θέσεις καθώς το διάφραγμα ενός υπέρυθρου φασματομέτρου κινείται από μια προβολή γεμάτη με το μαύρο σώμα σε ένα από τα υλικά. Η μέγιστη εκπομπή, με ένταση 8 φορές μεγαλύτερη από την αναφορά του μαύρου σώματος, συμβαίνει στα 1,7 μικρόμετρα.

Η  εφημερίδα IEEE Photonics Journal  παρουσίασε εικόνες που τραβήχτηκαν με μια συμβατική συσκευή σχεδόν υπέρυθρης ακτινοβολίας, μια κάμερα που μπορεί να συλλάβει την αναμενόμενη εκπομπή ακτινοβολίας του υλικού.

Πρόσφατη άσχετη έρευνα έδειξε παρόμοιο αποτέλεσμα σε απόσταση μικρότερη από 2 θερμικά μήκη κύματος από το δείγμα, αλλά το Lin's είναι το πρώτο υλικό που εμφανίζει υπέρ-Planckian ακτινοβολία όταν μετριέται από απόσταση 30 εκατοστών (περίπου 200.000 μήκη κύματος), αποτέλεσμα που δείχνει το φως έχει διαφύγει εντελώς από την επιφάνεια του υλικού.

Αν και η θεωρία δεν εξηγεί πλήρως το αποτέλεσμα, ο Λιν υποθέτει ότι οι αντισταθμίσεις μεταξύ των στρωμάτων των φωτονικών κρυστάλλων επιτρέπουν στο φως να αναδύεται μέσα από τους πολλούς χώρους μέσα στον κρύσταλλο. Το εκπεμπόμενο φως αναπηδά εμπρός και πίσω μέσα στα όρια της κρυσταλλικής δομής, η οποία μεταβάλλει την ιδιότητα του φωτός καθώς ταξιδεύει στην επιφάνεια για να συναντήσει την οπτική κοιλότητα.

«Πιστεύουμε ότι το φως προέρχεται από τον κρύσταλλο, αλλά υπάρχουν τόσα επίπεδα μέσα στη δομή, τόσες πολλές επιφάνειες ενεργούν ως ταλαντωτές, τόσο μεγάλη διέγερση, που συμπεριφέρεται σχεδόν σαν ένα τεχνητό υλικό λέιζερ», είπε ο Λιν. «Δεν είναι απλά μια συμβατική επιφάνεια.»

Το νέο υλικό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές όπως η συλλογή ενέργειας, η στρατιωτική παρακολούθηση και αναγνώριση αντικειμένων με υπέρυθρη ακτινοβολία, η παραγωγή οπτικών πηγών υψηλής απόδοσης στο υπέρυθρο που οδηγείται από απορριπτόμενη θερμότητα ή τοπικούς θερμαντήρες, έρευνα που απαιτεί περιβαλλοντική και ατμοσφαιρική και χημική φασματοσκοπία στο υπέρυθρο, και στην οπτική φυσική ως θερμικός εκπομπός που μοιάζει με λέιζερ.

«Αυτή η συναρπαστική και απροσδόκητη ανακάλυψη υπογραμμίζει τη σημασία της διεξαγωγής θεμελιωδών ερευνών που αλλάζουν τα πρότυπα που μπορούν να μετακινήσουν τα όρια της γνώσης στη φυσική και την επιστήμη των υλικών», δήλωσε ο Curt Breneman, Πρύτανης της Σχολής Επιστημών της Rensselaer. «Είμαστε πολύ περήφανοι για τον καθηγητή Λιν και την ομάδα του για την καθοδήγηση προς την ανάπτυξη νέων και μετασχηματιστικών τεχνολογιών».

Αναφορά: «Μια επιτόπια και άμεση επιβεβαίωση της υπερ-Planckian θερμικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ένα μεταλλικό φωτονικό κρύσταλλο σε οπτικά μήκη κύματος» των Shawn-Yu Lin, Mei-Li Hsieh, Sajeev John, B. Frey, James A. Bur, Ting-Shan Luk, Xuanjie Wang και Shankar Narayanan, 23 Μαρτίου 2020, Scientific Reports .
DOI: 10.1038 / s41598-020-62063-2

«Μια επιτόπια και άμεση επιβεβαίωση της υπερ-Planckian θερμικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ένα μεταλλικό φωτονικό κρύσταλλο σε μήκος οπτικού κύματος» υποστηρίχθηκε από την NSF με το βραβείο ECCS-1840673-NOA (χαρακτηρισμός συσκευής και μοντελοποίηση) και το DOE Office of Science με το βραβείο DE -FG02-06ER46347 (κατασκευή συσκευής). Στο Rensselaer, ο Λιν συνοδεύτηκε από τους Mei-Li Hsieh, B. Frey, James A. Bur, Xuanjie Wang και Shankar Narayanan, καθώς και τον Sajeev John του Πανεπιστημίου του Τορόντο και τον Ting-Shan Luk του Sandia National Laboratory.

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ ΣΤΑ ΕΛΛΗΝΙΚΑ ΜΕ GOOGLE TRANSLATE

ΠΗΓΗ: https://scitechdaily.com