宇宙中會有一種新的光嗎？自19世紀(jì)末以來，科學(xué)家們已經(jīng)了解到，當(dāng)加熱時，所有物質(zhì)材料都會以可預(yù)測的波長光譜發(fā)出光?，F(xiàn)在發(fā)表在自然《科學(xué)報告》期刊上的一項研究提出了一種材料，它在受熱時會發(fā)光，但似乎超過了自然規(guī)律設(shè)定的限制。1900年，馬克斯·普朗克(Max Planck)首次在數(shù)學(xué)上描述了一種輻射模式，并在假設(shè)能量只能以離散值存在的情況下，開啟了量子時代。

就像壁爐的火柴發(fā)出紅光一樣，不斷增加的熱量會導(dǎo)致所有物質(zhì)材料發(fā)出更強(qiáng)烈的輻射，隨著熱量的持續(xù)上升，發(fā)射光譜的峰值會移動到更長的波長。根據(jù)普朗克定律，沒有什么能比一個完全吸收能量的假想物體，也就是所謂的“黑體”發(fā)出更多輻射。

這一新材料由主要作者、倫斯勒理工學(xué)院物理學(xué)教授肖恩·雨霖發(fā)現(xiàn)：這種新材料打破了普朗克定律的限制，發(fā)出類似于激光或LED產(chǎn)生的相干光，但沒有產(chǎn)生這些技術(shù)所需的昂貴結(jié)構(gòu)。

除了發(fā)表在自然《科學(xué)報告》期刊上的光譜學(xué)研究外，之前還在IEEE《光子學(xué)》期刊上發(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，這是電磁光譜的近紅外部分。這兩篇研究提供了遠(yuǎn)場‘超普朗克’輻射最令人信服的證據(jù)。

這并不違反普朗克定律，這是一種產(chǎn)生熱發(fā)射的新方法，這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(qiáng)、可調(diào)諧的類似LED紅外發(fā)射器開辟了一條新途徑，用于熱光電和高效能源應(yīng)用。

在研究中，建造了一種三維鎢光子晶體（這是一種可以控制光子性質(zhì)的材料）有六個偏移層，結(jié)構(gòu)類似于鉆石晶體，頂部有一個光腔，進(jìn)一步細(xì)化了光。光子晶體將材料發(fā)出的光光譜縮小到大約1微米跨度，空腔繼續(xù)將能量壓縮到大約0.07微米的范圍內(nèi)。自從2002年創(chuàng)造了第一個全金屬光子晶體以來，肖恩·雨霖已經(jīng)為建立這一進(jìn)步而努力了17年，這兩篇研究論文代表了他進(jìn)行的最嚴(yán)格測試。

肖恩·雨霖表示：在實驗上，這是非?？煽康?，作為一名實驗者，我堅持我的數(shù)據(jù)，從理論的角度來看，還沒有人有一個理論來完全解釋我的發(fā)現(xiàn)。在成像和光譜研究中，準(zhǔn)備樣品和黑體對照（材料頂部垂直排列的納米管涂層）并排在一塊硅襯底上，消除了測試樣品和對照之間可能會影響結(jié)果的變化可能性。在一個實驗真空室中，樣品和對照被加熱到600開爾文。

自然《科學(xué)報告》期刊上的研究表明當(dāng)紅外光譜儀的孔徑，從充滿黑體的視野移動到其中一種材料時，在五個位置進(jìn)行的光譜分析。峰值發(fā)射的強(qiáng)度比黑體參考值大8倍，出現(xiàn)在1.7微米處。

而IEEE《光子學(xué)》期刊上的研究展示了用近紅外傳統(tǒng)電荷耦合裝置拍攝的圖像，這種相機(jī)可以捕捉到材料的預(yù)期輻射發(fā)射。在距離樣品不到2個熱波長的地方也有類似效應(yīng)，但新研究的該材料是第一個顯示出超普朗克輻射的材料。

當(dāng)從30厘米（約20萬個波長）的距離測量時，這一結(jié)果表明光已經(jīng)完全從材料的表面逃逸出來。雖然理論不能完全解釋這種效應(yīng)，但研究人員假設(shè)，光子晶體各層之間的偏移，能讓光線從晶體內(nèi)部的許多空間中射出。發(fā)射的光在晶體結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)來回反彈，這改變了光的性質(zhì)，因為它傳播到表面以滿足光學(xué)腔。研究認(rèn)為光來自晶體內(nèi)部，但結(jié)構(gòu)內(nèi)有如此多的平面，如此多的表面充當(dāng)振蕩器。

如此多的激發(fā)，以至于它的行為幾乎就像一種人造激光材料，這不是一個傳統(tǒng)的表面。這種新材料可用于能量采集、軍用紅外目標(biāo)跟蹤和識別、由余熱或局部加熱器驅(qū)動的紅外產(chǎn)生高效光源、需要紅外中的環(huán)境、大氣和化學(xué)光譜的研究，以及作為類似激光熱發(fā)射器的光學(xué)物理應(yīng)用。

博科園｜研究/來自：倫斯勒理工學(xué)院

參考期刊《科學(xué)報告》《光子學(xué)》

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