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本系林尚佑榮譽講座教授最新研究成果「超級普朗克」材料--- 加熱時發出類LED光,超越自然法則的限制

宇宙中有新的光源嗎?自19世紀末以來,科學家們已瞭解到當材料受熱時會發出可預測波長範圍的光。然而最近發表在《自然科學報告》上的新穎材料研究,此材料在受熱時所發出的光似乎超越了該自然法則---俗稱黑體輻射定律所設定的極限。

19001019日的德國物理學學會會議中,德國物理學家馬克斯普朗克(Max Planck)首先用數學公式描述了熱輻射,並於同年1214           202003301413416I58

會議中第一次提出能量量子化的假說,從而揭開了量子時代的序幕,馬克斯也被冠為量子力學創始人就如同壁爐加熱發紅光一樣,熱能增加會使所有材料發出更強的輻射,隨著熱量增加,材料所發射光譜的峰值將移至更短的波長。根據普朗克黑體輻射定律,宇宙中沒有任何物體可以發出比黑體(Black body)更多的輻射。所謂的黑體是一個理想化物體,它能夠完全吸收外來的電磁輻射,不會有任何的反射與透射,隨著溫度上升,黑體所輻射出來的電磁波稱作黑體輻射。
美國壬色列理工學院的物理學家暨國立交通大學光電系榮譽講座教授林尚佑(Shawn-Yu Lin)博士研發的新穎材料突破了普朗克黑體輻射定律的侷限,發出類似雷射或LED的同調光。除了在《自然科學報告》上發表該材料的光譜研究外,去年12月林教授在IEEE Photonics Journal上發表了另一項研究報告,展示使用近紅外線攝影機拍攝的紅外光譜影像分析。這兩篇研究報告都顯示該材料受熱時在波長1.7微米處輻射出的光譜強度峰值是黑體輻射基準的8倍。
林教授表示:「這兩篇論文為遠場實驗觀測超級普朗克材料輻射提供了最有說服力的證據」。又,林教授表示:「這實驗結果並沒有違反普朗克黑體輻射定律。這是產生熱輻射的新方法,是一項新的基本原理。該新穎材料及技術,開闢了一條新途徑,可實現超高強度且可調波長的類LED紅外光源,並應用於熱光伏(thermophotovoltaics)和高效能源。」
在林教授的研究中,他利用鎢建構三維光子晶體,結構與金剛石晶體類似,並於材料上方製作一個微型光學共振腔,用以窄化輻射光譜。光子晶體結構可將材料輻射的光譜寬度縮小至約1微米,光學共振腔能再將其寬度壓縮至約0.07微米的範圍內。
林教授自2002年創建全世界第一個全金屬三維光子晶體以來,致力在這方面的研究已有17年,這兩篇論文代表了他所進行的最嚴謹的實驗測試。他說:「從實驗上講,這研究數據非常可靠,作為一個嚴謹的實驗家,我支持我的數據。從理論的角度來看,還沒有人能完全解釋我的發現。」
在影像和光譜研究中,林教授在矽基板上並排放置一個材料樣品和一個近理想的黑體對照樣品(垂直排列的奈米碳管材料 --- 地球上最黑的物質),從而消除實驗系統中可能產生的量測誤差。在實驗真空腔中,將材料和黑體對照樣品一起加熱到640K

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先前有一項研究顯示,在距離樣品不到兩個波長處也有觀察到類似超越普朗克的現象,但林教授是第一位在距離材料30公分(200,000個波長)遠處量測到超越普朗克輻射,結果顯示了光已經從該材料表面完全溢出。
儘管理論上還不能完全解釋這種現象,但林教授假設光子晶體各層之間的間隙允許光從晶體內部空隙射出,發出的光在晶體結構內來回反彈從而改變了光的特性,其傳播行為滿足光學共振腔的要求。
林教授說:「我們相信光來自晶體內部,晶體結構內有許多界面,這些表面起了振盪器的作用,有如此多的激發,其行為幾乎像人造雷射材料。」「這不是常規表面。」
這種新穎材料可用於能量收集、軍事用紅外物體追蹤與識別、利用廢熱再生或局部紅外加熱來產生高效率之光源,環境和大氣化學光譜學研究,以及類雷射的熱輻射源等等。林教授這項基礎研究改變物理學和材料科學領域的知識界限,他的團隊,以及加拿大多倫多大學的Sajeev John教授的研究團隊正引領著一項創新和變革性技術的發展。

參考資料:

1. Mei-Li Hsieh, Shawn-Yu Lin, Sajeev John, James A. Bur, Xuanjie Wang, Shankar Narayanan, and Ting-Shan Luk, "Super Planckian Thermal Radiation Emitted from a Nano-Filament of Photonic Crystal: a Direct Imaging Study", IEEE Photonics Journal 11, 6, 2019.

2. Shawn-Yu Lin, Mei-Li Hsieh, Sajeev John, B. Frey, James A. Bur, Ting-Shan Luk, Xuanjie Wang and Shankar Narayanan, "An In-situ and Direct Confirmation of Super-Planckian Thermal Radiation Emitted From a Metallic Photonic-Crystal at Optical Wavelengths", Nature Scientific Reports, 10:5209, 2020.

3. J.G. Fleming, S. Y. Lin, I. El-Kady, R. Biswas and K.M. Ho, "All-metallic 3D photonic crystals with a large photonic band-gap", Nature 417, p. 52, 2002.

4. Zu-Po Yang, Lijie Ci, James A. Bur, Shawn-Yu Lin, and P. M. Ajayan, "Experimental Observation of an Extremely Dark Material Made By a Low-Density Nanotube Array", Nano Letters 8, 446 (2008).

5. RPI Rensselaer News:  https://news.rpi.edu/content/2020/03/23/advanced-%E2%80%9Csuper-planckian%E2%80%9D-material-exhibits-led-light-when-heated

 

 

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