Potrebbe esserci un nuovo tipo di luce nell'universo? Dalla fine del XIX secolo, gli scienziati hanno capito che, quando riscaldato, tutti i materiali emettono luce in uno spettro prevedibile di lunghezze d'onda. Ricerca pubblicata oggi in Natura Rapporti scientifici presenta un materiale che emette luce quando riscaldato che sembra superare i limiti fissati da quella legge naturale.

Nel 1900, Max Planck per primo descrisse matematicamente un modello di radiazione e inaugurò l'era quantistica con l'assunto che l'energia può esistere solo in valori discreti. Proprio come un attizzatoio da camino emette una luce rossa, l'aumento del calore fa sì che tutti i materiali emettano radiazioni più intense, con il picco dello spettro emesso che si sposta a lunghezze d'onda più corte all'aumentare del calore. In armonia con la legge di Planck, niente può emettere più radiazioni di un ipotetico oggetto che assorbe perfettamente energia, un cosiddetto "corpo nero".

Il nuovo materiale scoperto da Shawn Yu Lin, autore principale e professore di fisica al Rensselaer Polytechnic Institute, sfida i limiti della legge di Planck, emettendo una luce coerente simile a quella prodotta da laser o LED, ma senza la costosa struttura necessaria per produrre l'emissione stimolata di quelle tecnologie. Oltre allo studio spettroscopico appena pubblicato su Natura Rapporti scientifici , Lin ha precedentemente pubblicato uno studio di imaging in IEEE Photonics Journal . Entrambi mostrano un picco di radiazioni a circa 1,7 micron, che è la porzione del vicino infrarosso dello spettro elettromagnetico.

"Questi due articoli offrono la prova più convincente della radiazione 'super-planckiana' nel campo lontano, " ha detto Lin. "Questo non viola la legge di Planck. È un nuovo modo di generare emissioni termiche, un nuovo principio di fondo. Questo materiale, e il metodo che rappresenta, apre un nuovo percorso per realizzare super-intensi, emettitori a infrarossi sintonizzabili simili a LED per termofotovoltaici e applicazioni energetiche efficienti."

Per le sue ricerche, Lin ha costruito un cristallo fotonico di tungsteno tridimensionale, un materiale in grado di controllare le proprietà di un fotone, con sei strati sfalsati, in una configurazione simile a un cristallo di diamante, e sormontato da una cavità ottica che affina ulteriormente la luce. Il cristallo fotonico riduce lo spettro della luce emessa dal materiale a un intervallo di circa 1 micrometro. La cavità continua a spremere l'energia in un arco di circa 0,07 micrometri.

Lin ha lavorato per stabilire questo progresso per 17 anni, da quando ha creato il primo cristallo fotonico completamente metallico nel 2002, e le due carte rappresentano i test più rigorosi che ha condotto.

"Sperimentalmente, questo è molto solido, e come sperimentatore, Confermo i miei dati. Dal punto di vista teorico, nessuno ha ancora una teoria per spiegare completamente la mia scoperta, " ha detto Lino.

Sia nello studio di imaging che di spettroscopia, Lin ha preparato il suo campione e un controllo del corpo nero, un rivestimento di nanotubi allineati verticalmente sopra il materiale, fianco a fianco su un unico pezzo di substrato di silicio, eliminando la possibilità di variazioni tra l'analisi del campione e il controllo che potrebbero compromettere i risultati. In una camera a vuoto sperimentale, il campione e il controllo sono stati riscaldati a 600 gradi Kelvin, circa 620 gradi Fahrenheit.

In Natura Rapporti scientifici , Lin presenta l'analisi spettrale presa in cinque posizioni mentre l'apertura di uno spettrometro a infrarossi si sposta da una vista piena di corpo nero a una del materiale. Emissione di picco, con un'intensità di 8 volte maggiore del riferimento del corpo nero, avviene a 1,7 micrometri.

Il IEEE Photonics Journal carta ha presentato immagini scattate con un dispositivo convenzionale vicino all'infrarosso ad accoppiamento di carica, una telecamera in grado di catturare l'emissione di radiazioni prevista del materiale.

Recenti ricerche non correlate hanno mostrato un effetto simile a una distanza inferiore a 2 lunghezze d'onda termiche dal campione, ma quello di Lin è il primo materiale a mostrare radiazioni super-planckiane quando misurato da una distanza di 30 centimetri (circa 200, 000 lunghezze d'onda), un risultato che mostra che la luce è completamente fuoriuscita dalla superficie del materiale.

Sebbene la teoria non spieghi completamente l'effetto, Lin ipotizza che gli sfalsamenti tra gli strati di cristallo fotonico permettano alla luce di emergere dai numerosi spazi all'interno del cristallo. La luce emessa rimbalza avanti e indietro all'interno dei confini della struttura cristallina, che altera la proprietà della luce mentre viaggia verso la superficie per incontrare la cavità ottica.

"Crediamo che la luce provenga dall'interno del cristallo, ma ci sono così tanti piani all'interno della struttura, tante superfici che agiscono come oscillatori, tanta eccitazione, che si comporta quasi come un materiale laser artificiale, "Ha detto Lin. "Non è solo una superficie convenzionale."

Il nuovo materiale potrebbe essere utilizzato in applicazioni come la raccolta di energia, tracciamento e identificazione di oggetti militari basati su infrarossi, producendo sorgenti ottiche ad alta efficienza nell'infrarosso azionate da calore disperso o riscaldatori locali, ricerca che richiede spettroscopia ambientale e atmosferica e chimica nell'infrarosso, e in fisica ottica come emettitore termico simile a un laser.