Paradójicamente, en el campo de la física todo es relativo. Y a pesar de ser tan común, el comportamiento de la luz al interactuar con los objetos a sus paso sigue siendo un campo de exploración continua.
Por ejemplo, durante un buen tiempo existió un problema originado de la naturaleza cambiante de la luz. El comportamiento de la luz al interactuar con objetos pequeños viola las restricciones físicas bien establecidas observadas al interactuar con objetos más grandes.
Para objetos ordinarios, el movimiento de la luz puede seguir trayectorias similares a líneas rectas o rayos, pero para las objetos de tamaño microscópico, las propiedades de las ondas de luz se rompen las reglas de la óptica establecidas para los primeros.
El problema es que las diferencias son significativas. Los investigadores indican que en materiales importantes de nuestra actualidad, 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 ya aprobada.
“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. “No se pueden describir simultáneamente ambas cosas”.
Es por ello que un equipo de investigadores de Princeton, dentro de los cuales está Molesky, decidió indagar en el tema, estableciendo en el proceso nuevas reglas que rigen la forma en que los objetos absorben y emiten la luz. Los hallazgos se publicaron en la revista Physical Review Letters.
El concepto de cuerpo negro
¿Cómo podemos hacer un absorbente perfecto? ¿Un emisor perfecto? Ambas preguntas fueron planteadas por Alejandro Rodríguez, profesor asociado de ingeniería eléctrica y el investigador principal del estudio, señalando que se trata de un problema que incluso Planck, Einstein y Boltzmann intentaron resolver, pero el enigma se prolongó hasta la actualidad.
Pero ahora estas nuevas reglas pueden guiar a los científicos sobre cuánta luz infrarroja se puede esperar que un objeto de cualquier tamaño absorba o emita, resolviendo así la discrepancia observada entre escalas con las reglas anteriores.
La investigación sigue abordando el antiguo concepto de un cuerpo negro pero en un contexto moderno útil. Como muchos saben, los cuerpos negros son objetos idealizados que absorben y emiten luz con la máxima eficiencia.
Los nuevos niveles de control permitirán a los ingenieros optimizar los modelos matemáticos de modo que puedan funcionar para una amplia gama de aplicaciones futuras, como en el desarrollo de paneles solares, circuitos ópticos y computadoras cuánticas.
Los hallazgos son específicos de las fuentes térmicas de luz, como sol o una bombilla incandescente, pero se espera que puedan ampliarse aún más en función de otras fuentes de luz, como LED, luciérnagas o rayos de electricidad.
Referencia:
Operator Bounds on Angle-Integrated Absorption and Thermal Radiation for Arbitrary Objects. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.257401