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交大榮譽講座教授 研發「超級普朗克材料」

林尚佑教授研發的新穎材料超越黑體輻射定律極限。圖/交大提供
林尚佑教授研發的新穎材料超越黑體輻射定律極限。圖/交大提供

美國壬色列理工學院物理學家暨交通大學光電系榮譽講座教授林尚佑,最近在《自然科學報告》發表新穎材料研究,此材料在受熱時發出的光超越了黑體輻射定律極限。

自19世紀末以來,科學家已知當材料受熱時會發出可預測波長範圍的光。1900年德國物理學家馬克斯・普朗克(Max Planck)提出能量量子化的假說,揭開量子時代序幕,馬克斯也被冠為量子力學創始人。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更多的輻射。

林尚佑研發的新穎材料,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,林尚佑教授去年12月也在《IEEE Photonics Journal》發表另一項研究報告,展示使用近紅外線攝影機拍攝的紅外光譜影像分析;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。

林尚佑表示,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,這項新穎材料及技術,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,並應用於熱光伏和高效能源。

林尚佑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。

林尚佑自2002年創建全世界第一個全金屬三維光子晶體以來,持續致力於相關研究。他表示,「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。」

儘管理論上還不能完全解釋這種現象,但林尚佑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,「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。林尚佑這項基礎研究改變物理學和材料科學領域的知識界限,他的研究團隊與加拿大多倫多大學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。

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