El descubrimiento resuelve un antiguo problema de escala, donde el comportamiento de la luz al interactuar con objetos pequeños viola las restricciones físicas bien establecidas observadas a escalas más grandes.
"Los tipos de efectos que obtienes para objetos muy pequeños son diferentes de los efectos que obtienes de objetos muy grandes", dijo Sean Molesky, investigador postdoctoral en ingeniería eléctrica y primer autor del estudio. La diferencia se puede observar al pasar de una molécula a un grano de arena. "No se pueden describir simultáneamente ambas cosas", añadió en un comunicado.
El problema proviene de la famosa naturaleza cambiante de la luz. Para objetos ordinarios, el movimiento de la luz puede describirse mediante líneas rectas o rayos. Pero para los objetos microscópicos, las propiedades de las ondas de luz se hacen cargo y las reglas claras de la óptica de rayos se rompen. Los efectos son significativos. En materiales modernos importantes, las observaciones a escala de micras mostraron que la luz infrarroja irradia a millones de veces más energía por unidad de área de lo que predice la óptica de rayos.
Las nuevas reglas, publicadas en Physical Review Letters , le dicen a los científicos cuánta luz infrarroja se puede esperar que un objeto de cualquier escala absorba o emita, resolviendo una discrepancia de décadas entre grande y pequeño. El trabajo extiende un concepto del siglo XIX, conocido como un cuerpo negro, en un contexto moderno útil. Los cuerpos negros son objetos idealizados que absorben y emiten luz con la máxima eficiencia.
"Se ha realizado mucha investigación para tratar de comprender en la práctica, para un material dado, cómo uno puede acercarse a estos límites del cuerpo negro", dijo Alejandro Rodríguez, profesor asociado de ingeniería eléctrica e investigador principal del estudio. "¿Cómo podemos hacer un absorbente perfecto? ¿Un emisor perfecto?"
"Es un problema muy antiguo que muchos físicos, incluidos Planck, Einstein y Boltzmann, abordaron desde el principio y sentaron las bases para el desarrollo de la mecánica cuántica".
Una gran cantidad de trabajos anteriores ha demostrado que estructurar objetos con características a nanoescala puede mejorar la absorción y la emisión, atrapando efectivamente los fotones en una pequeña sala de espejos. Pero nadie había definido los límites fundamentales de lo posible, dejando abiertas preguntas importantes sobre cómo evaluar un diseño.
Ya no se limita a prueba y error de fuerza bruta. El nuevo nivel de control permitirá a los ingenieros optimizar los diseños matemáticamente para una amplia gama de aplicaciones futuras. El trabajo es especialmente importante en tecnologías como paneles solares, circuitos ópticos y computadoras cuánticas.
Actualmente, los hallazgos del equipo son específicos de las fuentes térmicas de luz, como el sol o una bombilla incandescente. Pero los investigadores esperan generalizar aún más el trabajo para estar de acuerdo con otras fuentes de luz, como LED, luciérnagas o rayos de electricidad.
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