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Material 'superplanckiano' avana§ado exibe luz semelhante a LED quando aquecido
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.
Por Instituto Politécnico Rensselaer - 23/03/2020

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.

 

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