¿Podría haber un nuevo tipo de luz en el universo? Desde finales del siglo XIX, los científicos han entendido que, cuando se calienta, 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 el supuesto de que la energía solo puede existir en valores discretos. Justo como un atizador de chimenea se ilumina al rojo vivo, el aumento de calor hace que todos los materiales emitan una radiación más intensa, con el pico del espectro emitido cambiando a longitudes de onda más cortas 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 láseres o LED, pero sin la costosa estructura necesaria para producir la emisión estimulada de esas tecnologías. Además del estudio de espectroscopia que se acaba de publicar en Naturaleza Informes científicos , Lin publicó previamente un estudio de imágenes en Revista de fotónica IEEE . Ambos muestran un pico de radiación de aproximadamente 1,7 micrones, que es la porción del infrarrojo cercano del espectro electromagnético.

"Estos dos artículos ofrecen la evidencia más convincente de radiación 'superplanckiana' 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 super-intensos, emisores de infrarrojos sintonizables tipo LED para aplicaciones termofotovoltaicas y de energía eficiente ".

Por su investigación, Lin construyó un cristal fotónico de tungsteno tridimensional, un material que puede controlar las propiedades de un fotón, con seis capas de compensación, en una configuración similar a un cristal de diamante, y rematado con una cavidad óptica que refina aún más la luz. El cristal fotónico encoge el espectro de luz que emite 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 artículos representan las pruebas más rigurosas que ha realizado.

"Experimentalmente, esto es muy sólido, y como experimentalista, Respaldo mis datos. Desde una perspectiva teórica, nadie tiene todavía una teoría que explique completamente mi descubrimiento, "Dijo Lin.

Tanto en el estudio de imágenes como en el de espectroscopia, Lin preparó su muestra y un control de cuerpo negro, una capa 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 entre la prueba 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, unos 620 grados Fahrenheit.

En Naturaleza Informes científicos , Lin presenta un análisis espectral tomado en cinco posiciones a medida que la apertura de un espectrómetro infrarrojo se mueve desde una vista llena del cuerpo negro a una del material. Emisión máxima, con una intensidad 8 veces mayor que la referencia de cuerpo negro, ocurre a 1,7 micrómetros.

los Revista de fotónica IEEE el artículo presentaba imágenes tomadas con un dispositivo de carga acoplada 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 el de Lin es el primer material que muestra radiación superplanckiana cuando se mide desde una distancia de 30 centímetros (unos 200, 000 longitudes de onda), un resultado que muestra que la luz se ha escapado completamente de la superficie del material.

Aunque la teoría no explica completamente el efecto, Lin plantea la hipótesis de que las compensaciones entre las capas de cristal fotónico permiten que la luz emerja desde dentro de los muchos espacios dentro del cristal. La luz emitida rebota de un lado a otro dentro de los confines de la estructura cristalina, que altera la propiedad de la luz a medida que 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 actuando 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 la recolección de energía, seguimiento e identificación de objetos militares basados ​​en infrarrojos, producir fuentes ópticas de alta eficiencia en el infrarrojo impulsadas por calor residual o calentadores locales, investigación que requiera espectroscopía ambiental, atmosférica y química en el infrarrojo, y en física óptica como un emisor térmico similar a un láser.