Pesquisadores de Princeton descobriram novas regras que governam como os objetos absorvem e emitem luz, aperfeiçoando o controle dos cientistas sobre a luz e impulsionando a pesquisa em dispositivos solares e ópticos de próxima geração.

A descoberta resolve um antigo problema de escala, onde o comportamento da luz ao interagir com objetos minúsculos viola restrições físicas bem estabelecidas observadas em escalas maiores.

"Os tipos de efeitos que você obtém com objetos muito pequenos são diferentes dos efeitos que você obtém com objetos muito grandes, "disse Sean Molesky, um pesquisador de pós-doutorado em engenharia elétrica e o primeiro autor do estudo. A diferença pode ser observada ao passar de uma molécula a um grão de areia. "Você não pode descrever as duas coisas simultaneamente, " ele disse.

O problema decorre da famosa natureza mutante da luz. Para objetos comuns, o movimento da luz pode ser descrito por linhas retas, ou raios. Mas para objetos microscópicos, as propriedades de onda da luz assumem o controle e as regras simples da ótica de raios são quebradas. Os efeitos são significativos. Em importantes materiais modernos, observações na escala de mícron mostraram luz infravermelha irradiando milhões de vezes mais energia por unidade de área do que a ótica de raios prediz.

As novas regras, publicado em Cartas de revisão física em 20 de dezembro, diga aos cientistas quanta luz infravermelha pode ser esperada que um objeto de qualquer escala absorva ou emita, resolvendo uma discrepância de décadas entre o grande e o pequeno. A obra estende um conceito do século 19, conhecido como um corpo negro, em um contexto moderno útil. Os corpos negros são objetos idealizados que absorvem e emitem luz com a máxima eficiência.

"Muitas pesquisas foram feitas para tentar entender na prática, para um determinado material, como se pode abordar esses limites do corpo negro, "disse Alejandro Rodriguez, professor associado de engenharia elétrica e investigador principal do estudo. "Como podemos fazer um absorvedor perfeito? Um emissor perfeito?"

"É um problema muito antigo que muitos físicos - incluindo Planck, Einstein e Boltzmann - enfrentaram desde o início e lançaram as bases para o desenvolvimento da mecânica quântica. "

Um grande número de trabalhos anteriores mostrou que a estruturação de objetos com características em nanoescala pode aumentar a absorção e a emissão, efetivamente prendendo fótons em uma pequena sala de espelhos. Mas ninguém definiu os limites fundamentais do possível, deixando em aberto as principais questões sobre como avaliar um design.

Não mais confinado a tentativa e erro de força bruta, o novo nível de controle permitirá que os engenheiros otimizem os projetos matematicamente para uma ampla gama de aplicações futuras. O trabalho é especialmente importante em tecnologias como painéis solares, circuitos ópticos e computadores quânticos.

Atualmente, as descobertas da equipe são específicas para fontes térmicas de luz, como o sol ou como uma lâmpada incandescente. Mas os pesquisadores esperam generalizar ainda mais o trabalho para concordar com outras fontes de luz, como LEDs, vagalumes, ou raios de eletricidade em arco.