以色列理工學院（Technion）研究人員首次建立一套完整物理模型，說明發光材料的吸收、放射與量子效率等多種性質，如何隨著溫度變化影響其所發出光線的基本性質。也就是發出的光會依據材料性質與溫度，改變其顏色、強度與隨機性。這項發現發表在《Optica》期刊，並為設計先進光源、光學感測器與熱驅動光子系統開啟新的可能性。
這項研究由以色列理工學院機械工程學院與 Russell Berrie 奈米科技研究所的碩士生 Tomer Bar-Lev 與 Carmel Rotschild 教授共同主導。研究人員指出，這項工作主要探討的核心現象是光致發光（photoluminescence，PL），也就是材料受到入射光照射後發出光線的過程。在這個現象中，光粒子（也就是光子）會先被材料吸收，再重新放射出去，該現象是許多如 LED 照明與光學感測器等諸多技術的基礎。以色列理工學院研究人員證明，一百多年前所建立的基本物理定律，其影響範圍其實遠比過去認為的更廣。
20 世紀初，物理學家 Max Planck 指出，處於熱力學平衡狀態的物體，會依據自身溫度與材料性質發出輻射。另一位德國物理學家 Gustav Kirchhoff 則指出，在相同條件下，材料的吸收與放射性質必須相同。以色列理工學院研究人員的新研究，進一步超越僅適用於熱輻射的特定情況，將物質與輻射之間的關係推廣至非平衡狀態下的各類輻射。此研究中提出一條通用方程式，可用來預測或是設計發光材料放射光線的特性。研究團隊進一步建立一套通用的光致發光熱力學架構，將化學勢與材料溫度、量子效率、能隙與激發條件連結起來，使光致發光可以用類似黑體輻射與普朗克定律的方式進行完整熱力學描述。這套模型顯示，光致發光會隨溫度經歷不同的放射區域。在低溫下，光子放射速率近似守恆，幾乎維持不變；隨著溫度上升，載子逐漸熱化，使光譜分布發生藍移。當溫度上升至一個特定的通用平衡點時，光子放射速率會恰好等於材料吸收的激發光速率，而且這個條件不受量子效率、能隙或其他材料特性影響。在這個平衡點，光子的化學勢降為零，熵達到最大值，材料的放射行為也會回到標準熱平衡黑體輻射，可由普朗克定律描述。當溫度進一步超過這個平衡點後，化學勢則轉為負值，熱效應開始占據主導地位，使各頻率範圍的放射強度迅速增加。因此，這套新模型能描述隨著溫度升高，材料所發出的光如何逐漸改變：從具有明確特徵的窄頻發光，例如 LED 所發出的光，逐步轉變為像陽光一樣具有寬頻、多色特性的輻射。這套模型也首次完整解釋了這兩種現象在基本物理機制上如何彼此連結。研究也進一步揭示，溫度不僅影響光的顏色與強度，也會控制其時間相干性、熵與光子統計特性。研究人員發現，光的時間相干時間會隨溫度升高而縮短，並受到材料能隙影響。值得注意的是，這項相干性不受激發光強度與量子效率影響；在相同溫度與能隙條件下，不同量子效率材料的正規化相干特性可以呈現相同形式。
從熱力學角度來看，研究顯示當溫度低於通用平衡點時，每個光子的熵會隨溫度上升而提高，反映出載子逐漸熱化的過程。這種特性也意味著，這類系統有可能作為光學熱機運作，並具有光學冷卻等潛在應用。此外，光致發光還呈現玻色－愛因斯坦光子統計與光子聚束現象。這種特性源自快速的電子－聲子散射，使受激載子迅速熱化至晶格溫度，形成特定的統計分布。研究也指出，使用熱光源進行激發，在通用平衡點時，發光材料與光源可以具有相同的統計分布，但是使用雷射等非熱光源進行激發，則無法真正達成熱力學平衡。這是因為雷射具有零熵特性，而實際材料若量子效率低於 1，為了維持能量平衡便必須升高溫度，進而產生熵並改變化學勢。
這項科學發現可為透過調整溫度來控制光線特性奠基。未來的潛在發展方向包括先進光學裝置、通訊技術、精密感測，以及光學冷卻與熱管理等應用。Rotschild 教授指出，研究團隊所建立的模型，不僅為深入理解光的特性與客製化輻射源奠定扎實理論基礎，更為次世代光源設計開創了全新物理架構。
資料來源：https://www.technion.ac.il/en/blog/article/toward-smart-light-sources/
