I ricercatori di Princeton hanno scoperto nuove regole che disciplinano il modo in cui gli oggetti assorbono ed emettono luce, mettere a punto il controllo degli scienziati sulla luce e potenziare la ricerca sui dispositivi solari e ottici di prossima generazione.

La scoperta risolve un annoso problema di scala, dove il comportamento della luce quando interagisce con oggetti minuscoli viola vincoli fisici ben consolidati osservati su scale più grandi.

"I tipi di effetti che si ottengono per oggetti molto piccoli sono diversi dagli effetti che si ottengono con oggetti molto grandi, "ha detto Sean Molesky, un ricercatore post-dottorato in ingegneria elettrica e primo autore dello studio. La differenza si può osservare nel passaggio da una molecola a un granello di sabbia. "Non puoi descrivere contemporaneamente entrambe le cose, " Egli ha detto.

Il problema deriva dalla famosa natura mutaforma della luce. Per oggetti ordinari, il movimento della luce può essere descritto da linee rette, o raggi. Ma per gli oggetti microscopici, le proprietà dell'onda della luce prendono il sopravvento e le regole ordinate dell'ottica a raggi si rompono. Gli effetti sono significativi. In importanti materiali moderni, le osservazioni su scala micron hanno mostrato che la luce infrarossa irradia milioni di volte in più di energia per unità di area rispetto a quanto previsto dall'ottica a raggi.

Le nuove regole, pubblicato in Lettere di revisione fisica il 20 dicembre dire agli scienziati quanta luce infrarossa ci si può aspettare che un oggetto di qualsiasi scala assorba o emetta, risolvendo una discrepanza decennale tra grande e piccolo. L'opera estende un concetto ottocentesco, noto come corpo nero, in un utile contesto moderno. I corpi neri sono oggetti idealizzati che assorbono ed emettono luce con la massima efficienza.

"Sono state fatte molte ricerche per cercare di capire in pratica, per un dato materiale, come ci si può avvicinare a questi limiti del corpo nero, " ha detto Alejandro Rodriguez, professore associato di ingegneria elettrica e ricercatore principale dello studio. "Come possiamo fare un perfetto assorbitore? Un perfetto emettitore?"

"È un problema molto vecchio che molti fisici, incluso Planck, Einstein e Boltzmann hanno affrontato presto e gettato le basi per lo sviluppo della meccanica quantistica."

Un ampio corpus di lavori precedenti ha dimostrato che la strutturazione di oggetti con caratteristiche su scala nanometrica può migliorare l'assorbimento e l'emissione, intrappolando efficacemente i fotoni in una minuscola sala di specchi. Ma nessuno aveva definito i limiti fondamentali del possibile, lasciando aperte importanti questioni su come valutare un progetto.

Non più limitato a tentativi ed errori di forza bruta, il nuovo livello di controllo consentirà agli ingegneri di ottimizzare matematicamente i progetti per un'ampia gamma di applicazioni future. Il lavoro è particolarmente importante in tecnologie come i pannelli solari, circuiti ottici e computer quantistici.

Attualmente, i risultati del team sono specifici per le sorgenti termiche di luce, come il sole o come una lampadina a incandescenza. Ma i ricercatori sperano di generalizzare ulteriormente il lavoro per concordare con altre fonti di luce, come i LED, Lucciole, o archi elettrici.