宇宙中会有一种新的光吗？超普朗克辐射光，终于被制造出来！

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宇宙中会有一种新的光吗？自19世纪末以来，科学家们已经了解到，当加热时，所有物质材料都会以可预测的波长光谱发出光。现在发表在自然《科学报告》期刊上的一项研究提出了一种材料，它在受热时会发光，但似乎超过了自然规律设定的限制。1900年，马克斯·普朗克(Max Planck)首次在数学上描述了一种辐射模式，并在假设能量只能以离散值存在的情况下，开启了量子时代。


就像壁炉的火柴发出红光一样，不断增加的热量会导致所有物质材料发出更强烈的辐射，随着热量的持续上升，发射光谱的峰值会移动到更长的波长。根据普朗克定律，没有什么能比一个完全吸收能量的假想物体，也就是所谓的“黑体”发出更多辐射。
这一新材料由主要作者、伦斯勒理工学院物理学教授肖恩·雨霖发现：这种新材料打破了普朗克定律的限制，发出类似于激光或LED产生的相干光，但没有产生这些技术所需的昂贵结构。


（上图所示）“超普朗克”材料在加热时发出类似LED的超普朗克辐射光。
除了发表在自然《科学报告》期刊上的光谱学研究外，之前还在IEEE《光子学》期刊上发表了一项成像研究，两者都显示出约1.7微米的辐射峰值，这是电磁光谱的近红外部分。这两篇研究提供了远场‘超普朗克’辐射最令人信服的证据。
这并不违反普朗克定律，这是一种产生热发射的新方法，这是一种新的基本原理。这种材料及其所代表的方法，为实现超强、可调谐的类似LED红外发射器开辟了一条新途径，用于热光电和高效能源应用。


在研究中，建造了一种三维钨光子晶体（这是一种可以控制光子性质的材料）有六个偏移层，结构类似于钻石晶体，顶部有一个光腔，进一步细化了光。光子晶体将材料发出的光光谱缩小到大约1微米跨度，空腔继续将能量压缩到大约0.07微米的范围内。自从2002年创造了第一个全金属光子晶体以来，肖恩·雨霖已经为建立这一进步而努力了17年，这两篇研究论文代表了他进行的最严格测试。


肖恩·雨霖表示：在实验上，这是非常可靠的，作为一名实验者，我坚持我的数据，从理论的角度来看，还没有人有一个理论来完全解释我的发现。在成像和光谱研究中，准备样品和黑体对照（材料顶部垂直排列的纳米管涂层）并排在一块硅衬底上，消除了测试样品和对照之间可能会影响结果的变化可能性。在一个实验真空室中，样品和对照被加热到600开尔文。


自然《科学报告》期刊上的研究表明当红外光谱仪的孔径，从充满黑体的视野移动到其中一种材料时，在五个位置进行的光谱分析。峰值发射的强度比黑体参考值大8倍，出现在1.7微米处。
而IEEE《光子学》期刊上的研究展示了用近红外传统电荷耦合装置拍摄的图像，这种相机可以捕捉到材料的预期辐射发射。在距离样品不到2个热波长的地方也有类似效应，但新研究的该材料是第一个显示出超普朗克辐射的材料。


当从30厘米（约20万个波长）的距离测量时，这一结果表明光已经完全从材料的表面逃逸出来。虽然理论不能完全解释这种效应，但研究人员假设，光子晶体各层之间的偏移，能让光线从晶体内部的许多空间中射出。发射的光在晶体结构的范围内来回反弹，这改变了光的性质，因为它传播到表面以满足光学腔。研究认为光来自晶体内部，但结构内有如此多的平面，如此多的表面充当振荡器。


如此多的激发，以至于它的行为几乎就像一种人造激光材料，这不是一个传统的表面。这种新材料可用于能量采集、军用红外目标跟踪和识别、由余热或局部加热器驱动的红外产生高效光源、需要红外中的环境、大气和化学光谱的研究，以及作为类似激光热发射器的光学物理应用。
博科园｜研究/来自：伦斯勒理工学院
参考期刊《科学报告》《光子学》
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