Ученые продемонстрировали работу принципиально нового источника
излучения, которому для работы необходим только нагрев, но при этом он светит в узкой полосе в инфракрасной области ярче абсолютно черного тела. Устройство на основе фотонных
кристаллов сужает диапазон излучения, из-за чего в нем светимость
оказывается более чем в восемь раз выше, чем у нагретого до такой же температуры
тела. Авторы называют такой феномен сверхпланковским излучением и считают, что
он может найти применение в области преобразования рассеиваемого тепла в
полезную энергию, системах обнаружения объектов в темноте и как яркий источник в
оптических исследования. Результаты опубликованы в
Scientific Reports и IEEE Photonics Journal.
Существуют различные способы генерации электромагнитного
излучения. Например, лазер и светодиод представляют собой принципиально разные
источники. Однако самым простым вариантом является тепловое излучение нагретых
тел: в частности, именно этот механизм ответственен за свечение ламп
накаливания, свечей и звезд.
Тепловое излучение подчиняется закону Планка, который
утверждает, что полностью поглощающее все падающее излучение объект (абсолютно
черное тело) — это максимально эффективный тепловой источник, спектр которого
задается формулой Планка и зависит только от температуры. Таким образом никакое
тело не может светиться за счет нагрева сильнее, чем абсолютно черное тело с
такой же температурой.
Абсолютно черное тело является физической абстракцией и
реальные тела не полностью ему соответствует. Однако излучение звезд, в том
числе Солнца, в широком диапазоне длин волн достаточно хорошо соответствует зависимости
интенсивности от длины волны, выведенной в этом приближении. Так как принцип
работы лазеров и светодиодов не связан с формулой Планка и, вообще говоря, с
температурой, эти источники не ограничены пределом абсолютно черного тела.
Физики из США и Канады под руководством Шон-Юй Линя (Shawn-Yu
Lin) из Политехнического института Ренсселера продемонстрировали новый вид
генерации излучения. С одной стороны, он близок к тепловому, так как требует
только нагрева, но с другой — напоминает лазер, так как светит лишь в узкой полосе
длин волн с центром на 1,7 микрона. Более того, ученым впервые удалось показать
превышение светимости над устанавливаемым законом Планка пределом в режиме
дальней зоны, то есть на большом по сравнению с длиной волны расстоянии от
источника.
Созданное устройство состоит из вольфрамового фотонного
кристалла, поверх которого расположен оптический микрорезонатор. Фотонный
кристалл — это специфическая структура, строение которой позволяет управлять
свойствами фотонов. В данном случае он в качестве фотонного кристалла использовали шесть слоев небольших столбиков из вольфрама, которые были расположены подобно
атомам в кристаллической решетке алмаза.
Для сравнения светимости фотонного кристалла с черным телом авторы
покрыли часть образца слоем углеродных нанотрубок. Известно, упорядоченные нанотрубки
при наблюдении с торца оказываются очень близки к абсолютно черному телу — они
поглощают более 99,9 процента падающего излучения. Исследователи измеряли мощность излучения, фиксируя датчик в нескольких положениях вдоль одной линии, причем в первом он регистрировал свечение только покрытой нанотрубками части образца, а в последнем — только свободной от них. Измерение производилось
в вакууме при нагревании до 575 кельвинов с расстояния в 30 сантиметров, то есть около
200 тысяч длин волн. Максимальное превышение над чернотельным излучением — в 8,3 раза.
«Эти две работы представляют наиболее убедительные
свидетельства сверхпланковского излучения в дальней зоне, — говорит Линь. — Однако
это не нарушает закон Планка, так как здесь используется новый механизм
генерации теплового излучения, новый базовый принцип. Данный материал и
позволивший получить его метод открывают путь для создания сверхинтенсивных и
настраиваемых источников инфракрасного излучения, которые будут подобны
светодиодам и пригодятся для термофотовольтаики (прямого преобразования тепла в
электричество) и других эффективных приложений в области энергетики».
Авторы отмечают, что в последнее время уже появлялись
работы, в которых говорилось о похожих результатах. Однако в них речь шла либо
о ближней зоне излучения, из чего нельзя сделать вывод о полноценном выходе
таких электромагнитных волн из материала, либо сравнение с чернотельным
источником проводилось недостаточно тщательно. Также исследователи пока не
могут предложить полноценную теорию данного эффекта, но в качестве наиболее
вероятной гипотезы они допускают влияние локализованных поверхностных плазмонов
— квазичастиц колебаний электронного газа, которые ограничены структурой
изученного вещества.
Ранее физики впервые создали лазер на органическом диоде с прямой накачкой током и подтвердили тепловой спектр излучения Хокинга для акустического аналога черной дыры. Об истории открытия закона Планка можно прочитать в материале «Квантовая революция и горчичный газ».
