Pourrait-il y avoir un nouveau type de lumière dans l'univers ? Depuis la fin du 19e siècle, les scientifiques l'ont compris, lorsqu'il est chauffé, tous les matériaux émettent de la lumière dans un spectre prévisible de longueurs d'onde. Recherche publiée aujourd'hui dans La nature Rapports scientifiques présente un matériau qui émet une lumière lorsqu'il est chauffé qui semble dépasser les limites fixées par cette loi naturelle.

En 1900, Max Planck a d'abord décrit mathématiquement un modèle de rayonnement et a inauguré l'ère quantique en supposant que l'énergie ne peut exister qu'en valeurs discrètes. Tout comme un tisonnier de cheminée rougeoie, l'augmentation de la chaleur fait que tous les matériaux émettent un rayonnement plus intense, avec le pic du spectre émis se déplaçant vers des longueurs d'onde plus courtes à mesure que la chaleur augmente. Conformément à la loi de Planck, rien ne peut émettre plus de rayonnement qu'un objet hypothétique qui absorbe parfaitement l'énergie, un soi-disant « corps noir ».

Le nouveau matériel découvert par Shawn Yu Lin, auteur principal et professeur de physique au Rensselaer Polytechnic Institute, défie les limites de la loi de Planck, émettant une lumière cohérente similaire à celle produite par des lasers ou des LED, mais sans la structure coûteuse nécessaire pour produire l'émission stimulée de ces technologies. En plus de l'étude de spectroscopie qui vient d'être publiée dans La nature Rapports scientifiques , Lin a précédemment publié une étude d'imagerie dans Journal de photonique IEEE . Les deux montrent un pic de rayonnement à environ 1,7 micron, qui est la partie proche infrarouge du spectre électromagnétique.

"Ces deux articles offrent la preuve la plus convaincante d'un rayonnement 'super-planckien' en champ lointain, " dit Lin. "Cela ne viole pas la loi de Planck. C'est une nouvelle façon de générer des émissions thermiques, un nouveau principe sous-jacent. Ce materiel, et la méthode qu'il représente, ouvre une nouvelle voie pour réaliser super-intense, émetteurs infrarouges de type LED accordables pour les applications thermophotovoltaïques et énergétiques efficaces."

Pour ses recherches, Lin a construit un cristal photonique de tungstène tridimensionnel - un matériau qui peut contrôler les propriétés d'un photon - avec six couches décalées, dans une configuration similaire à un cristal de diamant, et surmonté d'une cavité optique qui affine encore la lumière. Le cristal photonique rétrécit le spectre de la lumière émise par le matériau à une portée d'environ 1 micromètre. La cavité continue de comprimer l'énergie dans une étendue d'environ 0,07 micromètre.

Lin travaille à établir cette avance depuis 17 ans, depuis qu'il a créé le premier cristal photonique entièrement métallique en 2002, et les deux articles représentent les tests les plus rigoureux qu'il ait menés.

"Expérimentalement, c'est très solide, et en tant qu'expérimentateur, Je maintiens mes données. D'un point de vue théorique, personne n'a encore de théorie pour expliquer pleinement ma découverte, " dit Lin.

Dans l'étude d'imagerie et de spectroscopie, Lin a préparé son échantillon et un contrôle de corps noir - un revêtement de nanotubes alignés verticalement sur le matériau - côte à côte sur un seul morceau de substrat de silicium, éliminant la possibilité de changements entre le test de l'échantillon et le contrôle qui pourraient compromettre les résultats. Dans une chambre à vide expérimentale, l'échantillon et le contrôle ont été chauffés à 600 degrés Kelvin, environ 620 degrés Fahrenheit.

Dans La nature Rapports scientifiques , Lin présente une analyse spectrale prise dans cinq positions alors que l'ouverture d'un spectromètre infrarouge passe d'une vue remplie du corps noir à l'un des matériaux. Pic d'émission, avec une intensité 8 fois supérieure à la référence du corps noir, se produit à 1,7 micromètre.

Les Journal de photonique IEEE l'article présentait des images prises avec un dispositif conventionnel à couplage de charge dans le proche infrarouge, une caméra qui peut capturer l'émission de rayonnement attendue du matériau.

Des recherches récentes non liées ont montré un effet similaire à une distance de moins de 2 longueurs d'onde thermiques de l'échantillon, mais Lin est le premier matériau à afficher un rayonnement super-planckien lorsqu'il est mesuré à une distance de 30 centimètres (environ 200, 000 longueurs d'onde), un résultat montrant que la lumière s'est complètement échappée de la surface du matériau.

Bien que la théorie n'explique pas complètement l'effet, Lin émet l'hypothèse que les décalages entre les couches de cristal photonique permettent à la lumière d'émerger des nombreux espaces à l'intérieur du cristal. La lumière émise rebondit dans les limites de la structure cristalline, qui modifie la propriété de la lumière lorsqu'elle se déplace vers la surface pour rencontrer la cavité optique.

"Nous croyons que la lumière vient de l'intérieur du cristal, mais il y a tellement de plans dans la structure, autant de surfaces faisant office d'oscillateurs, tant d'excitation, qu'il se comporte presque comme un matériau laser artificiel, " dit Lin. "Ce n'est tout simplement pas une surface conventionnelle."

Le nouveau matériau pourrait être utilisé dans des applications telles que la récupération d'énergie, suivi et identification d'objets militaires basés sur l'infrarouge, produire des sources optiques à haut rendement dans l'infrarouge alimentées par de la chaleur perdue ou des radiateurs locaux, les recherches nécessitant la spectroscopie environnementale et atmosphérique et chimique dans l'infrarouge, et en physique optique en tant qu'émetteur thermique de type laser.