Фотонный кристалл позволил создать источник сверхпланковского излучения
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 исследованиях. 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 соответствуют. 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 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, что 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 зафиксированное превышение над чернотельным излучением оказалось 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
Обычно рентгеноструктурный анализ требует сотен тысяч атомов
Химики из США, Китая и Франции использовали синхротронное излучение для характеризации отдельных ионов железа и тербия в составе комплексных соединений, нанесенных на поверхность золота. Ученые смогли детектировать электронные переходы этих атомов только тогда, когда тонкий металлический детектор располагался точно над атомами металлов. Исследование опубликовано в журнале Nature. Синхротронное излучение позволяет проводить рентгеноструктурные исследования на очень небольших образцах вещества, содержащих около 104 атомов. Но если для регистрации фотоэлектронов использовать очень тонкий металлический детектор, разрешение можно повысить еще сильнее — до всего нескольких десятков атомов в образце. Тем не менее детектировать сигналы от одиночных атомов ученые не умели до сих пор. Но недавно физики и химики под руководством Фолькера Розе (Volker Rose) использовали синхротрон APS в Аргоннской национальной лаборатории для проведения рентгеновского анализа отдельных атомов. Для этого ученые приготовили комплексы железа и тербия с замещенными пиридиновыми лигандами на поверхности золота. Первый эксперимент с синхротронным излучением ученые провели на поверхности с комплексами железа. Они разместили детектор на большом расстоянии (пять нанометров) от образца, при котором невозможно туннелирование фотоэлектронов между поверхностью и детектором. В полученной зависимости энергии фотоэлектронов от тока в детекторе химики наблюдали сигналы от электронных переходов всех ионов железа, расположенных вблизи детектора. В следующем эксперименте физики расположили детектор намного ближе к образцу — так, чтобы фотоэлектроны могли туннелировать. Во время эксперимента ученые обнаружили, что при движении детектора сигналы переходов меняются. Причем сигналы, соответствующие электронным переходам иона железа, появлялись только тогда, когда детектор располагался точно над ионом железа. Тот же самый эксперимент удалось провести и с комплексом тербия. И, как и в случае комплексов железа, сигналы от электронных переходов тербия возникали только при точном расположении детектора над его катионами. Далее ученые решили применить синхротронное излучение для анализа электронной структуры комплексов. Для этого они использовали спектроскопию рентгеновского поглощения в ближней к краю области и проанализировали тонкую структуру полученных сигналов. В результате оказалось, что железо в комплексе имело степень окисления +2, а тербий — +3. Кроме того, удалось выяснить, что 3d-орбитали иона железа взаимодействуют с лигандами, а 4f-орбитали тербия — нет. Так ученые показали, что синхротронное излучение и правильно спроектированный детектор позволяют проводить рентгеноструктурные исследования на отдельных атомах. При этом можно узнать не только то, где они расположены, но и выяснить детали их электронной структуры. Недавно мы рассказывали о том, как сибирские ученые создали клистрон для Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). А прочитать подробнее про историю рентгеноструктурного анализа можно в нашем материале «Деплатформинг структур».