Des chercheurs de Princeton ont découvert de nouvelles règles régissant la façon dont les objets absorbent et émettent de la lumière, affiner le contrôle des scientifiques sur la lumière et stimuler la recherche sur les dispositifs solaires et optiques de nouvelle génération.

La découverte résout un problème d'échelle de longue date, où le comportement de la lumière lorsqu'elle interagit avec de minuscules objets viole des contraintes physiques bien établies observées à plus grande échelle.

"Les types d'effets que vous obtenez pour de très petits objets sont différents des effets que vous obtenez pour de très gros objets, " a déclaré Sean Molesky, chercheur postdoctoral en génie électrique et premier auteur de l'étude. La différence peut être observée en passant d'une molécule à un grain de sable. "Vous ne pouvez pas décrire simultanément les deux choses, " il a dit.

Le problème provient de la célèbre nature métamorphe de la lumière. Pour les objets ordinaires, le mouvement de la lumière peut être décrit par des lignes droites, ou des rayons. Mais pour les objets microscopiques, les propriétés ondulatoires de la lumière prennent le dessus et les règles précises de l'optique des rayons s'effondrent. Les effets sont importants. Dans des matériaux modernes importants, des observations à l'échelle du micron ont montré que la lumière infrarouge rayonnait des millions de fois plus d'énergie par unité de surface que ne le prédit l'optique des rayons.

Les nouvelles règles, Publié dans Lettres d'examen physique le 20 décembre, dire aux scientifiques quelle quantité de lumière infrarouge un objet de n'importe quelle échelle peut absorber ou émettre, résoudre un écart vieux de plusieurs décennies entre les grands et les petits. L'œuvre prolonge un concept du XIXe siècle, connu comme un corps noir, dans un contexte moderne utile. Les corps noirs sont des objets idéalisés qui absorbent et émettent de la lumière avec une efficacité maximale.

« Il y a eu beaucoup de recherches faites pour essayer de comprendre en pratique, pour un matériau donné, comment on peut approcher ces limites du corps noir, " a déclaré Alejandro Rodriguez, professeur agrégé de génie électrique et chercheur principal de l'étude. « Comment pouvons-nous fabriquer un absorbeur parfait ? Un émetteur parfait ? »

« C'est un très vieux problème que de nombreux physiciens, dont Planck, Einstein et Boltzmann - se sont attaqués très tôt et ont jeté les bases du développement de la mécanique quantique. »

Un grand nombre de travaux antérieurs ont montré que la structuration d'objets avec des caractéristiques à l'échelle nanométrique peut améliorer l'absorption et l'émission, piégeant efficacement les photons dans une minuscule salle de miroirs. Mais personne n'avait défini les limites fondamentales du possible, laissant ouvertes des questions majeures sur la façon d'évaluer une conception.

Ne se limite plus aux essais et erreurs de force brute, le nouveau niveau de contrôle permettra aux ingénieurs d'optimiser mathématiquement les conceptions pour un large éventail d'applications futures. Le travail est particulièrement important dans les technologies comme les panneaux solaires, circuits optiques et ordinateurs quantiques.

Actuellement, les découvertes de l'équipe sont spécifiques aux sources lumineuses thermiques, comme le soleil ou comme une ampoule à incandescence. Mais les chercheurs espèrent généraliser davantage les travaux pour s'accorder avec d'autres sources lumineuses, comme les LED, lucioles, ou des arcs électriques.