《自然》：一项具有重大意义的纳米级发现
威廉玛丽和密歇根大学的研究人员最近的一项发现改变了我们对现代物理学最重要的定律之一的理解。这一发现发表在《自然》杂志上，对科学有着广泛的影响，影响着从纳米技术到我们对太阳系的理解。
“这改变了一切，甚至改变了我们对行星形成的看法，”威廉玛丽大学物理学副教授、论文合著者蒙塔兹·卡齐尔巴什（Mumtaz Qazilbash）说。“这意味着什么是一个重要的问题，坦率地说，我将继续思考这个问题。”
来自密歇根大学的一组工程师邀请Qazilbash和两名W&M的研究生，Xing Zhen和Patrick McArdle，帮助他们测试普朗克的辐射定律是否适用于最小的长度尺度。普朗克的辐射定律是量子力学的基础科学原理。
《自然》杂志论文的其他共同作者包括dakota Thompson、Linxiao Zhu、Rohith Mittapally、Seid Sadat、Pramod Reddy和Edgar Meyhofer。Reddy和Meyhofer在密歇根大学构思了这个项目和研究计划。在他们的指导下，Thompson、Mittapally和Sadat制作了用作测试设备的膜，进行了辐射传热实验并分析了数据。同样来自密歇根大学的朱教授执行并分析了这些计算。
William & 玛丽的学生Xing和McArdle在Qazilbash的指导下对氮化硅的介电函数进行了光谱测量。威廉和玛丽的研究是由国家科学基金会资助的。
通过一系列实验，该团队能够证明普朗克定律不适用于小于一定长度尺度的物体，并且结果比该定律所预测的要高100倍。卡齐尔巴什说，真正的挑战不仅在于证明这种差异，还在于解释它。
“这就是物理学，”卡齐尔巴什说。“通过实验测量一些东西很重要，但真正了解正在发生的事情也很重要。”
普朗克辐射定律是现代物理学的支柱，也是量子力学最重要的成果之一。该定律是由德国物理学家马克斯·普朗克于1900年提出的，它是一个数学方程，解释了物体的温度与该物体以电磁辐射的形式发射的能量之间的关系。
在20世纪之交，物理学家开始明白，在原子水平上，宇宙中的一切都表现为粒子和波。他们通过研究光和亚原子粒子得出了这个结论。光同时是一种叫做光子的粒子流，也是一种波动的电场和磁场波。光波（其中可见光只是光谱的一小部分）被称为电磁辐射，这是宇宙中所有物体之间基本上不可见的相互作用。
“在马克斯·普朗克出现之前，热物体的这些波长的完整光谱就已经被测量过了，但没有人知道发生了什么，”卡齐尔巴什说。“当时的理论无法解释。”
普朗克将一个答案理论化，成为量子物理学的基石。
“普朗克提出了量子化，”卡齐尔巴什说。他的理论是，光不仅仅是一种电磁波，而且是一种量子化的电磁波。它以被称为光子的离散量子发射和吸收。这就是他能够解释这种现象的原因。”
此外，普朗克的理论基于光子的能量取决于其频率的假设，这意味着电磁波的能量也是量子化的。他在他的辐射定律中阐明了能量和频率之间的关系。直到最近，人们还认为这一定律适用于宇宙中的所有物体。
然后在2009年，物理学家试图将这一定律应用于两个距离很近的物体，它们之间的辐射距离不到一个波长。科学家们发现，当物体处于所谓的“近场”时，该定律就不成立了。密歇根大学和威廉玛丽研究小组决定用厚度小于波长的物体在远场（距离比辐射波长更远）测试这一定律。
卡齐尔巴什说：“我们的工作表明，如果物体非常小，就违反了法律。”“以前从未有实验证明过这一点。”
卡齐尔巴什解释说，这样的实验需要各学科之间的合作。威廉和玛丽物理团队与密歇根大学的工程系合作进行了这个项目。与测试该定律相关的红外光波长只有大约10微米（大约是人类头发平均横截面的五分之一），所以工程师们必须制造一个更小的物体。他们最终开发出了一种只有几百纳米（或不到半微米）厚的氮化硅膜。
为了验证这一定律是否适用，研究人员将两个相同的膜放置在相对较远的地方。接下来，他们加热了其中一层膜，并测量了另一层膜的热量增加。如果普朗克定律成立，那么第二层膜的热增加应该与普朗克的预测一致。相反，研究人员发现，辐射传热的差异是普朗克定律所预测的100倍。
“普朗克的辐射定律说，如果你把他提出的想法应用到两个物体上，那么你应该得到两个物体之间能量转移的确定速率，”卡齐尔巴什说。“嗯，我们通过实验观察到的是，如果物体非常非常小，那么这个速率实际上比普朗克定律预测的要高100倍。”
卡齐尔巴什解释说，造成如此巨大差异的原因与波的性质有关。
“想想吉他的弦，”他说。“它有一些基本的共鸣。这些微音有特定的长度，以便与最佳的谐波对齐。如果你在这些地方拨动它，它会在某些波长上更有效地共振。光也是一样。如果一个物体的材料和几何形状使电磁波能更有效地与它耦合，那么它就会更有效地发射和吸收辐射。”
卡齐尔巴什说，发现普朗克辐射定律的100倍差异的意义是广泛的，几乎涉及现代物理学的所有方面。在数字时代，硬件开发人员正在寻找设计更小、更快技术的方法。这一发现有可能改变纳米技术的未来。
卡齐尔巴什说：“现在我们知道，纳米级物体发射和吸收辐射的效率比我们想象的要高得多。”
卡齐尔巴什补充说，这不仅是对小型物体和纳米技术的一个启示。这一发现还涉及气候科学、行星大气、天体物理学和太阳系的组成。
“这一发现触及了很多领域，”卡齐尔巴什说。“只要辐射在物理和科学中发挥重要作用，这一发现就很重要。”
