Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Фотонный кристалл позволил создать источник сверхпланковского излучения

Rensselaer Polytechnic Institute

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».

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.