新的规则阐明了物体如何吸收和发射光线

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，微调了科学家对光的控制，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，“你对非常小的物体产生的影响与你对非常大的物体产生的影响是不同的。”从一个分子到一粒沙子的移动可以观察到这种差别。“你不可能同时描述两件事，”他说。

这个问题源于光著名的变形性质。对于普通物体，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，光的波属性起了作用，光线光学的规则被打破了。其影响是显著的。在重要的现代材料中，在微米尺度上的观测表明，红外光单位面积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)上的新规则告诉科学家，任何尺度的物体可以吸收或发射多少红外光，从而解决了数十年来大大小小的差异。这部作品将19世纪被称为黑体的概念扩展到了一个有用的现代语境中。黑体是一种理想化的物体，它能以最大的效率吸收和发射光线。

“人们做了很多研究，试图在实践中了解，对于给定的材料，人们如何达到这些黑体极限，”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。“我们怎样才能制造出完美的吸收体?”一个完美的发射器吗?”

“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——很早就解决了这个问题，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吸收和发射，有效地将光子困在一个小镜子大厅里。但是没有人定义了可能性的基本限制，留下了关于如何评估设计的主要问题。

新的控制水平不再局限于蛮力试验和错误，它将允许工程师为未来的广泛应用从数学上优化设计。这项工作在太阳能电池板、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源。但研究人员希望进一步推广这项工作，使之与其他光源一致，如led、萤火虫或电弧。

这项研究得到了国家科学基金会、康奈尔材料研究中心、国防高级研究计划局和加拿大国家科学与工程研究委员会的部分支持。