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 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.

Зависимость излучаемой мощности от длины волны для шести положений приемника: в нулевом он направлен на исключительно на нанотрубки, а в пятом в его апертуре находится только фотонный кристалл

Shawn-Yu Lin et al. / Scientific Reports, 2020

 

 

«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

Источник: N+1