新材料违反普朗克定律,发出相干光类似于LED产生的光

发光是物质的一种非热辐射的光发射，其延续时间比光的振动周期长很多(≫10-14秒)。发光和白炽灯这类的炽热物体的热辐射不同.热辐射的基本性质不随发热体的性质而异，发光则反映材料的特征。发光是外界因素光电辐射等等)和物质相互作用的一种结果. 外界的作用一旦停止，发光也将停止，但有一个延续时间，比光的振动周期(10-14秒数量级)长很多。这个特点是苏联科学家Vavilov指出来的，可以靠它把发光和其它种类的光发射如散射、反射等区别开来。

自19世纪末以来，科学家们已经了解到，加热时，所有材料都会发出可预测波长范围内的光。今天发表在《Nature Scientific Reports》上的研究提出了一种材料，该材料在受热时会发光，看起来似乎超过了该自然法则所设定的极限。1900年，马克斯·普朗克(Max Planck)首先用数学方法描述了辐射图，并假设能量只能以离散值存在，从而进入了量子时代。就像壁炉发红光一样，热量增加会使所有材料发出更强烈的辐射，随着热量的升高，发射光谱的峰值将移至较短的波长。按照普朗克定律，没有什么可以发射出比假设的物体吸收更多的辐射的假设了，它完全吸收能量，即所谓的“黑体”。

伦斯勒理工学院的物理学教授，同时也是该研究论文的第一作者肖恩·于林(Shawn Yu Lin)发现的新材料违反了普朗克定律的局限性，它发出的相干光类似于激光或LED产生的光，但是却没有制造这种材料所需的昂贵结构。除了刚刚在《Nature Scientific Reports》上发表的光谱研究之外，Lin先前还在IEEE Photonics Journal上发表了一项成像研究。两者都显示出约1.7微米的辐射峰值，这是电磁频谱的近红外部分。

Lin说：“这两篇论文为远场的'超普朗克'辐射提供了最有说服力的证据。这没有违反普朗克定律。这是一种产生热量的新方法，是一种新的基本原理。这种材料及其所代表的方法，为实现超强、可调谐的类似于LED的红外发射器开辟了一条新途径。”

在他的研究中，Lin用类似于金刚石晶体的配置构建了具有六个偏置层的三维钨光子晶体(一种可以控制光子特性的材料)，并在顶部放置了一个光学腔，进一步细化了光。光子晶体将材料发出的光谱缩小到大约1微米的范围。空腔继续将能量压缩到大约0.07微米的范围内。

自2002年创建第一个全金属光子晶体以来，Lin一直致力于此已有17年，而这两篇论文代表了他所进行的最严格的测试。Lin说：“从实验上讲，这是非常坚实的，作为实验者，我支持我的数据。从理论的角度来看，还没有人能完全解释我的发现。”

在成像和光谱学研究中，Lin将他的实验样品和一个黑体对照物(在材料顶部上垂直排列的纳米管涂层)并排放在一块硅基板上，消除了在测试样品和控制之间发生变化的可能性，这可能会影响结果。在实验真空室中，将样品和对照物加热到600开氏温度，约620华氏度。

在《Nature Scientific Reports》中，Lin展示了随着红外光谱仪的孔径从充满黑体的视图移动到其中一种材料在五个位置的光谱分析。在1.7微米处出现峰值发射，强度是黑体参考的8倍。在IEEE光子学杂志的论文中提出了用近红外常规电荷耦合器件拍摄的图像，这是一种能够捕获材料预期辐射的相机。

林说：“我们相信光是来自晶体内部的，但是结构中有许多平面，有许多表面起着振荡器的作用，有如此多的激发，因此其行为几乎像人造激光材料。这不是常规表面。”

最近的一项研究表明，在距样品不到2个热波长的距离处也有类似的影响，但是当从30厘米的距离(约200,000个波长)处测量时，林氏材料是第一种显示超普朗克辐射的材料，结果显示了光已经从材料表面完全逸出。尽管理论上不能完全解释这种影响，但Lin假设光子晶体各层之间的偏移允许光从晶体内部的许多空间中射出。发出的光在晶体结构的范围内来回反弹，这会改变光的特性，使其传播到表面以满足光学腔的需要。这种新材料可用于以下领域，例如能量收集，基于军事红外的物体跟踪和识别，由废热或本地加热器驱动的红外中产生高效光源，需要红外环境、大气和化学光谱学的研究以及在光学物理学中是像激光一样的热辐射体。