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科学界解决又一个古老问题:新研究发现控制光的新规则

2019-12-25 09:32 前瞻网   
科学界解决又一个古老问题:新研究发现控制光的新规则

近日,普林斯顿大学的研究人员发现了控制物体如何吸收和发射光线的新规则,这使科学家们能够更好地控制光,并促进了下一代太阳能和光学设备的研究。

这一发现解决了一个长期存在的尺度问题:即光与微小物体的相互作用违反了在更大尺度下观察到的既定物理约束。

该研究的第一作者、电气工程博士后研究员西恩·莫尔斯基(Sean Molesky)说,“非常小的物体所产生的影响与非常大的物体所产生的影响是不同的。”从一个分子到一粒沙子的移动就可以观察到这种差别。他说:“你不可能同时描述两件事。”

这个问题源于光著名的变形性质。对于普通物体来说,光的运动可以用直线或射线来描述。但是对于微观物体来说,光的波属性会起到主导作用,光线光学的规则也就会被打破。这有着非常重要的影响。在重要的现代材料中,在微米尺度上的观测表明,单位面积红外光辐射的能量比射线光学预测的要高出数百万倍。

12月20日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的这些新规则可以告诉科学家任何尺度的物体可以吸收或发射多少红外光,从而解决各个尺度的物体在数十年来的差异。这项研究将19世纪的一个被称为黑体的概念扩展成一个有用的现代语境(黑体是一种理想化的物体,它可以以最大的效率来吸收和发射光线)。

电子工程副教授、该研究的首席研究员亚历杭德罗·罗德里格斯(Alejandro Rodriguez)说:“人们做了很多研究,他们想在实践中知道,对于给定材料,人们应该怎样做才可以达到这些黑体极限,我们怎样才能制造出一个完美的吸收体?或者一个完美的发光体?”

“这是一个非常古老的问题,许多物理学家——包括普朗克、爱因斯坦和波尔兹曼——在很早之前就研究过这个问题,这为量子力学的发展奠定了基础。”

之前的大量研究工作表明,具有纳米级特征的结构化物体可以增强光的吸收和发射,有效地将光子困在一个小镜厅里。但是没有人定义可能性的基本限制,这就留下了如何评估设计这个主要问题。

新的控制水平将不再局限于蛮力试验和错误,它将允许工程师从数学上为未来的广泛应用优化设计。这项研究在太阳能电池板、光学电路和量子计算机等技术领域尤为重要。

目前,研究小组的发现只针对太阳或白炽灯泡等热光源。但研究人员希望进一步概括这项研究,使其同样适用于其他光源,比如led、萤火虫或电弧。

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责任编辑: zhenggongbo

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