Los investigadores de Princeton han descubierto nuevas reglas que gobiernan cómo los objetos absorben y emiten luz, afinando el control de los científicos sobre la luz e impulsando la investigación de dispositivos solares y ópticos de próxima generación.

El descubrimiento resuelve un antiguo problema de escala, donde el comportamiento de la luz al interactuar con objetos pequeños viola las limitaciones físicas bien establecidas observadas a escalas más grandes.

"Los tipos de efectos que se obtienen con los objetos muy pequeños son diferentes de los efectos que se obtienen con los objetos muy grandes, "dijo Sean Molesky, investigador postdoctoral en ingeniería eléctrica y primer autor del estudio. La diferencia se puede observar al pasar de una molécula a un grano de arena. "No se pueden describir ambas cosas a la vez, " él dijo.

El problema proviene de la famosa naturaleza cambiante de la luz. Para objetos ordinarios, el movimiento de la luz se puede describir mediante líneas rectas, o rayos. Pero para objetos microscópicos, las propiedades de onda de la luz toman el control y las reglas claras de la óptica de rayos se rompen. Los efectos son significativos. En importantes materiales modernos, Las observaciones a escala de micrones mostraron que la luz infrarroja irradia millones de veces más energía por unidad de área de lo que predice la óptica de rayos.

Las nuevas reglas publicado en Cartas de revisión física el 20 de diciembre decirle a los científicos cuánta luz infrarroja se puede esperar que absorba o emita un objeto de cualquier escala, resolviendo una discrepancia de décadas entre lo grande y lo pequeño. La obra amplía un concepto del siglo XIX, conocido como cuerpo negro, en un contexto moderno útil. Los cuerpos negros son objetos idealizados que absorben y emiten luz con la máxima eficacia.

"Se han realizado muchas investigaciones para intentar comprender en la práctica, para un material dado, cómo uno puede acercarse a estos límites de cuerpos negros, "dijo Alejandro Rodríguez, profesor asociado de ingeniería eléctrica e investigador principal del estudio. "¿Cómo podemos hacer un absorbente perfecto? ¿Un emisor perfecto?"

"Es un problema muy antiguo que muchos físicos, incluido Planck, Einstein y Boltzmann:abordaron desde el principio y sentaron las bases para el desarrollo de la mecánica cuántica ".

Una gran cantidad de trabajos anteriores ha demostrado que la estructuración de objetos con características a nanoescala puede mejorar la absorción y la emisión, atrapando efectivamente fotones en una pequeña sala de espejos. Pero nadie había definido los límites fundamentales de lo posible, dejando abiertas preguntas importantes sobre cómo evaluar un diseño.

Ya no se limita al ensayo y error de fuerza bruta, El nuevo nivel de control permitirá a los ingenieros optimizar los diseños matemáticamente para una amplia gama de aplicaciones futuras. El trabajo es especialmente importante en tecnologías como paneles solares, circuitos ópticos y computadoras cuánticas.

En la actualidad, Los hallazgos del equipo son específicos de las fuentes térmicas de luz. como el sol o como una bombilla incandescente. Pero los investigadores esperan generalizar aún más el trabajo para estar de acuerdo con otras fuentes de luz, como LED, luciérnagas o rayos de electricidad.