A pesquisa publicada hoje na Nature Scientific Reports apresenta um material que emite luz quando aquecido que parece exceder os limites estabelecidos por essa lei natural.
Poderia haver um novo tipo de luz no universo? Desde o final do século 19, os cientistas entendem que, quando aquecidos, todos os materiais emitem luz em um espectro previsível de comprimentos de onda. A pesquisa publicada hoje na Nature Scientific Reports apresenta um material que emite luz quando aquecido que parece exceder os limites estabelecidos por essa lei natural.
Material "Super-Planckian" avana§ado exibe luz semelhante a LED quando aquecido.
Crédito: Rensselaer Polytechnic Institute
Em 1900, Max Planck primeiro descreveu matematicamente um padrãode radiação e inaugurou a era qua¢ntica com a suposição de que a energia são pode existir em valores discretos. Assim como o pa´quer de uma lareira fica em brasa, o aumento do calor faz com que todos os materiais emitam radiação mais intensa, com o pico do espectro emitido mudando para comprimentos de onda mais longos a medida que o calor aumenta. De acordo com a Lei de Planck, nada pode emitir mais radiação do que um objeto hipotanãtico que absorve energia perfeitamente, o chamado "corpo negro".
O novo material descoberto por Shawn Yu Lin, principal autor e professor de física do Instituto Politanãcnico Rensselaer, desafia os limites da lei de Planck, emitindo uma luz coerente semelhante a produzida por lasers ou LEDs, mas sem a estrutura dispendiosa necessa¡ria para produzir o material. emissão estimulada dessas tecnologias. Além do estudo de espectroscopia publicado recentemente na Nature Scientific Reports , Lin publicou anteriormente um estudo de imagem no IEEE Photonics Journal . Ambos mostram um pico de radiação em cerca de 1,7 macrons, que éa porção infravermelha próxima do espectro eletromagnanãtico.
"Esses dois artigos oferecem a evidência mais convincente de radiação 'superplanckiana' no campo distante", disse Lin. "Isso não viola a lei de Planck. a‰ uma nova maneira de gerar emissão tanãrmica, um novo princapio subjacente. Este material e o manãtodo que ele representa abrem um novo caminho para a realização de emissores infravermelhos sintoniza¡veis ​​e super intensos para termofotovoltaicas e aplicações eficientes de energia. "
Para sua pesquisa, Lin construiu um cristal fota´nico de tungstaªnio tridimensional - um material que pode controlar as propriedades de um fa³ton - com seis camadas deslocadas, em uma configuração semelhante a um cristal de diamante, e coberto com uma cavidade a³ptica que refina ainda mais a luz . O cristal fota´nico reduz o espectro de luz que éemitido do material para um intervalo de cerca de 1 micra´metro. A cavidade continua a espremer a energia em um intervalo de aproximadamente 0,07 micra´metros.
 Lin trabalha para estabelecer esse avanço há17 anos, desde que criou o primeiro cristal fota´nico totalmente meta¡lico em 2002, e os dois trabalhos representam os testes mais rigorosos que ele conduziu.
"Experimentalmente, isso émuito sãolido e, como experimentalista, mantenho meus dados. De uma perspectiva tea³rica, ninguanãm ainda tem uma teoria para explicar completamente minha descoberta", disse Lin.
Nos estudos de imagem e espectroscopia, Lin preparou sua amostra e um controle de corpo negro - um revestimento de nanotubos alinhados verticalmente sobre o material - lado a lado em um aºnico pedaço de substrato de silacio, eliminando a possibilidade de alterações entre o teste da amostra e controle que possa comprometer os resultados. Em uma ca¢mara de va¡cuo experimental, a amostra e o controle foram aquecidos a 600 graus Kelvin, a cerca de 620 graus Fahrenheit.
No Nature Scientific Reports , Lin apresenta análises espectrais tomadas em cinco posições, a medida que a abertura de um espectra´metro infravermelho se move de uma vista preenchida com o corpo negro para um dos materiais. O pico de emissão, com uma intensidade 8 vezes maior que a referaªncia do corpo negro, ocorre a 1,7 micra´metros.
O jornal IEEE Photonics Journal apresentou imagens tiradas com um dispositivo convencional de acoplamento de carga por infravermelho pra³ximo, uma ca¢mera que pode capturar a emissão de radiação esperada do material.
Pesquisas recentes não relacionadas mostraram um efeito similar a uma distância inferior a 2 comprimentos de onda tanãrmicos da amostra, mas o Lin's éo primeiro material a exibir radiação superplanckiana quando medido a 30 centametros de distância (cerca de 200.000 comprimentos de onda), resultado que mostra a luz escapou completamente dasuperfÍcie do material.
Embora a teoria não explique completamente o efeito, Lin supaµe que as compensações entre as camadas de cristal fota´nico permitem que a luz surja de dentro dos muitos Espaços dentro do cristal. A luz emitida salta para frente e para trás dentro dos limites da estrutura cristalina, o que altera as propriedades da luz a medida que ela viaja para asuperfÍcie para encontrar a cavidade a³ptica.
"Acreditamos que a luz vem do interior do cristal, mas hámuitos planos dentro da estrutura, tantassuperfÍcies atuando como osciladores, tanta excitação que se comporta quase como um material artificial a laser", disse Lin. "Nãoéapenas umasuperfÍcie convencional."
O novo material pode ser usado em aplicações como coleta de energia, rastreamento e identificação militar de objetos baseados em infravermelho, produzindo fontes a³pticas de alta eficiência no infravermelho, acionadas pelo calor residual ou aquecedores locais, pesquisas que requerem espectroscopia ambiental e atmosfanãrica e química no infravermelho, e em física a³ptica como um emissor tanãrmico semelhante a laser.