最近，威廉與瑪麗學院和密歇根大學研究人員的一個新的發現，改變了我們對於現代物理學中最重要的定律之一——
普朗克黑體輻射定律的理解。經過一系列實驗，研究人員發現，對於小於某一確定尺度的物體，普朗克輻射定律並不適用。這一發表在《自然》期刊上的新發現對從納米科技，到我們對太陽系的理解或許都將具有深遠的影響。1. 普朗克輻射定律
普朗克輻射定律是現代物理學的支柱，也是量子物理學中最重要的結果之一，它由德國物理學家普朗克（Max Planck）於1900年提出。這個定律闡釋了物體的溫度與其以電磁波形式輻射的能量之間的關係。
在20世紀初，物理學家在研究光和亞原子粒子時發現，在原子水平上，所有的物質都會表現的即像波又像粒子。光既是一種叫做光子的粒子流，同時也是振盪的電磁場中的波。光波被稱為電磁輻射，我們可以看到的光（可見光）只是電磁波譜上的一小部分。
雖然在普朗克以前，人們就能很好地測量熱物體輻射的完整光譜，但是沒有人真正理解到底發生了什麼，當時的理論無法解釋這一現象。直到普朗克提出了一種理論解釋，這後來也成為了量子力學的基石。
普朗克提出了“量子化”的概念。根據他的理論，光不僅僅是一種電磁波，而是量子化的電磁波。它以離散的量子（即“光子”）被髮射和吸收，如此就能夠解釋這一現象。
此外，普朗克的理論是基於一個假設之上的，那就是光子的能量取決於它的頻率。這意味著，電磁波的能量也是量子化的。他在自己的輻射定律中闡明瞭能量和頻率之間的關係。一直以來，物理學家都假設該定律適用於宇宙中的所有物體。
2. 實驗中的謎題
但是在五年前，密歇根大學機械工程學教授Pramod Reddy的實驗室發現了一種
微結構，能讓彼此隔絕的物體之間產生驚人的熱量流動。很長時間，他們都無法指出這一現象的根源是什麼。這篇論文的第一作者Dakotah Thompson根據標準的普朗克理論進行計算，但發現計算結果似乎無法解釋實驗中觀察到的現象。
當時，作為一名新加入Reddy實驗室的研究生，教授們曾懷疑可能是Thompson的計算有誤。但結果表明，他的計算是正確的。於是接下來，Thompson的任務就是要找到究竟發生了什麼。
兩個物體間熱量流動率的極限取決於很多因素，例如物體的尺寸、溫度、兩個物體相對的表面，以及物體間的距離。熱量在物體間會以電磁波形式傳播，比如說紅外輻射和可見光。
2009年，物理學家發現如果兩個物體分開的間隙是納米級的，也就是說比輻射的主要波長還要短，那麼熱量的流動就會以比理論預測得快10000倍。也就是說，當這些物體處於所謂的“近場”時，普朗克定律並不適用。但如果物體間的間隔比輻射的波長更大時（即所謂的“遠場”），就不會出現這種情況。
3. 實驗中的謎題
在Reddy和密歇根大學的另一位械工程學教授Edgar Meyhofer的指導下，Thompson開展了一系列實驗這個出乎意料的觀察結果。這一次，他們懷疑，這或許與物體的厚度有關。
Reddy用錢包中的兩張卡片來向Thompson解釋這個概念，它把一張卡放在手掌上，另一張放在與之保持一點間隙的手指上。之後，Thompson在納米制造廠度過數月時間，製作出與卡片形狀相似、但是長度和寬度不到卡片1/1000的氮化硅（SiN）半導體平板對。最終制作出來的半導體平板的厚度在10微米到270納米之間，Thompson將它們懸置在比人類的頭髮絲還要細100倍的橫樑上。
○ 溫度較高的輻射物體（紅色）與溫度較低的接收輻射的物體（藍色）懸置在非常細的橫樑上，可以讓輻射物體中通電流來加熱，另一方面，可以通過測量接收輻射物體的溫度變化來計算傳遞的熱量。（內嵌圖）SiN平板的厚度小於輻射波長，兩個平板之間的距離大於輻射波長。| 圖片來源：Dakotah Thompson et al.
研究人員將兩個平板隔開相對遠的距離——比輻射波長長一些，而平板厚度比一個波長小。然後，他們加熱一個平板，並測量另一個平板上熱量的增加。如果普朗克定律成立，那麼第二張平板上的熱量增加應該與普朗克的預測一致。但是研究人員卻發現，實驗中傳遞的輻射能量是普朗克輻射定律預測結果的100倍。
對於一個信用卡形狀和大小的物體而言，熱量通常從六個表面輻射，輻射強度正比於表面積。但是這個發現表明，當這些結構非常薄，薄到大約只有綠光波長一半的時候，這些邊緣釋放和吸收的熱量遠遠超過預期。
○ 實驗測量到的熱量傳導率（黑色圓點實線）大於普朗克黑體輻射定律預測的值（倒三角虛線），而且如果物體的厚度越小，實驗與理論預測結果的比率（紅色圓點實線）就越大。| 圖片來源：Dakotah Thompson et al.
在取得了實驗結果後，Thompson開始與實驗室的博士後Linxiao Zhu展開密切合作。Zhu為兩個薄板構建了一個細緻的數學模型，並試圖用它來解釋控制這些結構間熱量傳遞的物理機制。
模擬的結果表明，熱量流動強度增加100倍這一現象出現的原因是由電磁波在薄板內的傳播方式造成的。因為電磁波會沿著與平板較長維度平行的方向傳播，使得熱量從邊緣輻射而出。在與之相對的另一塊吸收能量的平板上，同樣的概念也在發揮著作用。
4. 小尺寸，大應用
儘管輻射增強的效果在微米量級或者更小的尺寸上最明顯，新興的納米技術或許意味著能將這些新發現可以應用到設備當中。
Reddy說：“因為我們發現了這個熱量傳遞的機制，人們有可能用新的方式來控制熱量。”
這個團隊提出的應用例子包括以一種類似於電子學控制電子的方式來控制熱量流動，為下一代計算機和二極管製作熱晶體管。例如，未來的建築材料可以在涼爽的夏夜釋放熱量，但是在冬天保存熱量。太陽能電池可以將太陽光譜中沒有轉換為電的部分（光電效應發電的剩餘部分）用於別處，比如建造一個能利用這些損耗的能量來加熱水的屋頂裝置。
但Reddy也告誡說，基於熱量的計算裝置會比電子計算機速度更慢、體積更大， 但他認為在某些情況下，以熱量為基礎的計算裝置可能會更有優勢，例如會導致傳統電子設備損壞的高溫環境下。
此外，從這項工作中獲得的見解也可以被用於那些熱輻射起著重要作用的地方，比如對行星大氣、原行星形成以及天體物理現象進行模擬。
https://www.sciencedaily.com/releases/2018/09/180905124705.htm
https://www.wm.edu/news/stories/2018/in-nature-a-nanoscale-discovery-with-big-implications.php
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0480-9
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