Ученые экспериментально выяснили, что лучистый теплообмен — перенос энергии посредством излучения — на микроскопическом масштабе может происходить гораздо интенсивнее, чем это допускает теория. На этом процессе, который описывает закон Планка, основывается множество явлений — от погодных феноменов до образования планет. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Макс Планк на рубеже XIX и XX веков опубликовал статью, в которой с новых позиций описал, как нагретое тело излучает энергию в виде отдельных порций — квантов. Это исследование стало одной из основополагающих работ в квантовой физике. Оно описывает максимальный возможный лучистый теплообмен между макроскопическими телами в режиме дальнего поля, то есть на расстоянии больше характерного размера, связанного с температурой тела. В последние годы появились исследования, авторы которых обнаружили отклонения от закона Планка в режиме ближнем поля, но для относительно больших расстояний подобных несоответствий никогда раньше не замечали.

В новом исследовании сотрудники Мичиганского университета и Колледжа Вильгельма и Марии (США) протестировали закон Планка в наномасштабе в режиме дальнего поля. В результате оказалось, что в таком случае тела могут излучать и поглощать в 100 раз более эффективно, чем предсказывает теория. В своих экспериментах ученые использовали две мембраны размером около 10 микрон, что примерно соответствует длине волны инфракрасного излучения. Одно из тел нагревалось и выступало в роли источника излучения, а другое было приемником, данные с которого собирались при помощи встроенного термометра.

«Наша работа показывает, что если тела достаточно малы, то закон Планка нарушается, — говорит соавтор работы Мумтаз Кызылбаш. — Это никогда ранее не демонстрировали в эксперименте». Авторы считают, что этот феномен можно объяснить при помощи резонанса, так как электромагнитное излучение представляет собой волну. Также ученые отмечают, что открытие затрагивает сразу многие разделы физики, где важен перенос излучения. В частности, результаты могут пригодиться при исследовании климата, планетарных атмосфер, астрофизики и происхождения тел в Солнечной системе.