Poderia haver um novo tipo de luz no universo? Desde o final do século 19, cientistas entenderam isso, quando aquecido, todos os materiais emitem luz em um espectro previsível de comprimentos de onda. Pesquisa publicada hoje em Natureza Relatórios Científicos apresenta um material que emite luz quando aquecido que parece ultrapassar os limites estabelecidos por aquela lei natural.

Em 1900, Max Planck primeiro descreveu matematicamente um padrão de radiação e deu início à era quântica com a suposição de que a energia só pode existir em valores discretos. Assim como um atiçador de lareira brilha 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 curtos conforme o calor aumenta. De acordo com a Lei de Planck, nada pode emitir mais radiação do que um objeto hipotético que absorve energia perfeitamente, um chamado "corpo negro".

O novo material descoberto por Shawn Yu Lin, autor principal e professor de física do Rensselaer Polytechnic Institute, desafia os limites da lei de Planck, emitindo uma luz coerente semelhante à produzida por lasers ou LEDs, mas sem a estrutura cara necessária para produzir a emissão estimulada dessas tecnologias. Além do estudo de espectroscopia recém-publicado em Natureza Relatórios Científicos , Lin publicou anteriormente um estudo de imagem em IEEE Photonics Journal . Ambos mostram um pico de radiação em cerca de 1,7 mícron, que é a porção infravermelha próxima do espectro eletromagnético.

"Esses dois artigos oferecem a evidência mais convincente da radiação 'superplanckiana' no campo distante, "disse Lin." Isso não viola a lei de Planck. É uma nova forma de gerar emissão térmica, um novo princípio subjacente. Este material, e o método que ele representa, abre um novo caminho para perceber superintenso, emissores infravermelhos sintonizáveis ​​do tipo LED para termofotovoltaicos e aplicações de energia eficiente. "

Para sua pesquisa, Lin construiu um cristal fotônico de tungstênio tridimensional - um material que pode controlar as propriedades de um fóton - com seis camadas deslocadas, em uma configuração semelhante a um cristal de diamante, e coberto com uma cavidade óptica que refina ainda mais a luz. O cristal fotônico reduz o espectro de luz que é emitido do material para um intervalo de cerca de 1 micrômetro. A cavidade continua comprimindo a energia em um intervalo de aproximadamente 0,07 micrômetros.

Lin trabalha para estabelecer esse avanço há 17 anos, desde que ele criou o primeiro cristal fotônico totalmente metálico em 2002, e os dois artigos representam os testes mais rigorosos que ele conduziu.

"Experimentalmente, isso é muito sólido, e como experimentalista, Eu mantenho meus dados. De uma perspectiva teórica, ninguém ainda tem uma teoria para explicar totalmente a minha descoberta, "Lin disse.

Tanto no estudo de imagem quanto no estudo de espectroscopia, Lin preparou sua amostra e um controle de corpo negro - um revestimento de nanotubos alinhados verticalmente no topo do material - lado a lado em uma única peça de substrato de silício, eliminando a possibilidade de alterações entre o teste da amostra e o controle que possam comprometer os resultados. Em uma câmara de vácuo experimental, a amostra e o controle foram aquecidos a 600 graus Kelvin, cerca de 620 graus Fahrenheit.

No Natureza Relatórios Científicos , Lin apresenta uma análise espectral feita em cinco posições conforme a abertura de um espectrômetro infravermelho se move de uma visão preenchida com o corpo negro para uma do material. Emissão de pico, com uma intensidade 8 vezes maior que a referência do corpo negro, ocorre em 1,7 micrômetros.

o IEEE Photonics Journal papel apresentou imagens tiradas com um dispositivo acoplado de carga convencional próximo ao infravermelho, uma câmera que pode capturar a emissão de radiação esperada do material.

Pesquisas recentes não relacionadas mostraram um efeito semelhante a uma distância de menos de 2 comprimentos de onda térmicos da amostra, mas Lin é o primeiro material a exibir radiação superplanckiana quando medida a uma distância de 30 centímetros (cerca de 200, 000 comprimentos de onda), um resultado mostrando que a luz escapou completamente da superfície do material.

Embora a teoria não explique totalmente o efeito, Lin hipotetiza que os deslocamentos entre as camadas do cristal fotônico permitem que a luz emerja de dentro dos muitos espaços dentro do cristal. A luz emitida salta para frente e para trás dentro dos limites da estrutura do cristal, que altera a propriedade da luz conforme ela viaja para a superfície para encontrar a cavidade óptica.

"Acreditamos que a luz vem de dentro do cristal, mas existem tantos planos dentro da estrutura, tantas superfícies agindo como osciladores, tanta excitação, que se comporta quase como um material laser artificial, "Lin disse." Não é apenas uma superfície convencional.

O novo material pode ser usado em aplicações como coleta de energia, rastreamento e identificação de objetos baseados em infravermelho militar, produção de fontes ópticas de alta eficiência no infravermelho impulsionadas por calor residual ou aquecedores locais, pesquisas que requerem espectroscopia ambiental, atmosférica e química no infravermelho, e em física óptica como um emissor térmico semelhante a laser.