¿Podría haber un nuevo tipo de luz en el universo? Desde finales del siglo XIX, los científicos han entendido que, cuando se calientan, todos los materiales emiten luz en un espectro predecible de longitudes de onda. Investigación publicada hoy en Naturaleza Informes científicos presenta un material que emite luz cuando se calienta que parece exceder los límites establecidos por esa ley natural.
En 1900, Max Planck describió matemáticamente por primera vez un patrón de radiación y marcó el comienzo de la era cuántica con la suposición de que la energía solo puede existir en valores discretos. Así como una chimenea de póker se enciende al rojo vivo, el aumento del calor hace que todos los materiales emitan más intensidadradiación, con el pico del espectro emitido cambiando a longitudes de onda más largas a medida que aumenta el calor. De acuerdo con la Ley de Planck, nada puede emitir más radiación que un objeto hipotético que absorbe energía perfectamente, un llamado "cuerpo negro".
El nuevo material descubierto por Shawn Yu Lin, autor principal y profesor de física en el Instituto Politécnico Rensselaer, desafía los límites de la ley de Planck, emitiendo una luz coherente similar a la producida por láser o LED, pero sin la costosa estructura necesaria paraproducir la emisión estimulada de esas tecnologías. Además del estudio de espectroscopía recién publicado en Naturaleza Informes científicos , Lin publicó previamente un estudio de imagen en IEEE Photonics Journal . Ambos muestran un pico de radiación a aproximadamente 1.7 micras, que es la porción infrarroja cercana del espectro electromagnético.
"Estos dos documentos ofrecen la evidencia más convincente de la radiación 'súper planckiana' en el campo lejano", dijo Lin. "Esto no viola la ley de Planck. Es una nueva forma de generar emisiones térmicas, un nuevo principio subyacente. Este material, y el método que representa, abre un nuevo camino para realizar emisores de infrarrojos tipo LED sintonizables y súper intensos para aplicaciones de energía fotovoltaica y termo-fotovoltaicas eficientes ".
Para su investigación, Lin construyó un cristal fotónico de tungsteno tridimensional, un material que puede controlar las propiedades de un fotón, con seis capas desplazadas, en una configuración similar a un cristal de diamante, y rematado con una cavidad óptica querefina aún más la luz. El cristal fotónico reduce el espectro de luz que se emite desde el material a un lapso de aproximadamente 1 micrómetro. La cavidad continúa exprimiendo la energía en un lapso de aproximadamente 0,07 micrómetros.
Lin ha estado trabajando para establecer este avance durante 17 años, desde que creó el primer cristal fotónico totalmente metálico en 2002, y los dos documentos representan las pruebas más rigurosas que ha realizado.
"Experimentalmente, esto es muy sólido, y como experimentalista, mantengo mis datos. Desde una perspectiva teórica, nadie tiene una teoría para explicar completamente mi descubrimiento", dijo Lin.
Tanto en el estudio de imagen como en el de espectroscopía, Lin preparó su muestra y un control de cuerpo negro, un recubrimiento de nanotubos alineados verticalmente en la parte superior del material, uno al lado del otro en una sola pieza de sustrato de silicio, eliminando la posibilidad de cambios entreprueba de la muestra y el control que podrían comprometer los resultados. En una cámara de vacío experimental, la muestra y el control se calentaron a 600 grados Kelvin, aproximadamente 620 grados Fahrenheit.
adentro Naturaleza Informes científicos , Lin presenta un análisis espectral tomado en cinco posiciones a medida que la apertura de un espectrómetro de infrarrojos se mueve desde una vista llena del cuerpo negro a uno del material. La emisión máxima, con una intensidad de 8 veces mayor que la referencia del cuerpo negro, ocurre a 1.7micrómetros.
El IEEE Photonics Journal el papel presentó imágenes tomadas con un dispositivo acoplado a carga convencional de infrarrojo cercano, una cámara que puede capturar la emisión de radiación esperada del material.
Investigaciones recientes no relacionadas han demostrado un efecto similar a una distancia de menos de 2 longitudes de onda térmica de la muestra, pero Lin es el primer material que muestra radiación súper planckiana cuando se mide desde una distancia de 30 centímetros aproximadamente 200,000 longitudes de onda, un resultado que muestrala luz se ha escapado completamente de la superficie del material.
Aunque la teoría no explica completamente el efecto, Lin plantea la hipótesis de que los desplazamientos entre las capas de cristal fotónico permiten que la luz emerja de los muchos espacios dentro del cristal. La luz emitida rebota hacia adelante y hacia atrás dentro de los límites de la estructura cristalina,que altera la propiedad de la luz cuando viaja a la superficie para encontrarse con la cavidad óptica.
"Creemos que la luz proviene del cristal, pero hay tantos planos dentro de la estructura, tantas superficies que actúan como osciladores, tanta excitación, que se comporta casi como un material láser artificial", dijo Lin ".Simplemente no es una superficie convencional ".
El nuevo material podría usarse en aplicaciones como recolección de energía, rastreo e identificación de objetos basados en infrarrojos militares, produciendo fuentes ópticas de alta eficiencia en el infrarrojo accionadas por calor residual o calentadores locales, investigación que requiere espectroscopía ambiental y atmosférica y química en el infrarrojo, y en física óptica como un emisor térmico similar al láser.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Politécnico Rensselaer . Original escrito por Mary L. Martialay. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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