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(shí)間比光的振動(dòng)周期長(zhǎng)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(gè)延續(xù)時(shí)間，比光的振動(dòng)周期(10-14秒數(shù)量級(jí))長(zhǎng)很多。這個(gè)特點(diǎn)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(shí)，所有材料都會(huì)發(fā)出可預(yù)測(cè)波長(zhǎng)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(shí)會(huì)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(jìn)入了量子時(shí)代。就像壁爐發(fā)紅光一樣，熱量增加會(huì)使所有材料發(fā)出更強(qiáng)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(zhǎng)。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(shí)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(xiàng)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(yuǎn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)超強(qiáng)、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(gè)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(gè)光學(xué)腔，進(jìn)一步細(xì)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(gè)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(jìn)行的最嚴(yán)格的測(cè)試。Lin說：“從實(shí)驗(yàn)上講，這是非常堅(jiān)實(shí)的，作為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)樣品和一個(gè)黑體對(duì)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(cè)試樣品和控制之間發(fā)生變化的可能性，這可能會(huì)影響結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)真空室中，將樣品和對(duì)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(dòng)到其中一種材料在五個(gè)位置的光譜分析。在1.7微米處出現(xiàn)峰值發(fā)射，強(qiáng)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(jī)。

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(xiàng)研究表明，在距樣品不到2個(gè)熱波長(zhǎng)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(gè)波長(zhǎng))處測(cè)量時(shí)，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(huì)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(shí)別，由廢熱或本地加熱器驅(qū)動(dòng)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。