Физики из США изготовили градиентно-легированный метаматериал на основе арсенида галлия-индия и с помощью него нарушили закон теплового излучения Кирхгофа. В результате ученые достигли разницы между излучательной и поглощательной способностью в 0,43 единицы при одинаковой длине волны. Новый материал позволит встраивать его в сложные устройства и управлять потоками энергии в них. Об исследовании авторы рассказали в Physical Review Letters.
Закон теплового излучения Кирхгофа гласит, что отношение излучательной и поглощательной способности тела зависит исключительно от температуры и частоты излучения. Другими словами, если мы знаем, сколько тело поглощает энергии на конкретной частоте, то нам автоматически известно, какое количество энергии это тело может отдать при фиксированной температуре. Фундаментальность закона Кирхгофа состоит в том, что отношение излучательной и поглощательной способности никак не зависит от материала — физический принцип выполняется и для сажи, и для золота.
Однако в этой фундаментальности кроется и существенное ограничение: если бы существовал материал, который на определенной длине волны может поглощать больше, чем излучать (так называемая невзаимная термальная эмиссия), то это существенно упростило бы, например, сбор энергии с помощью фотоэлементов. Именно поэтому исследователи постоянно ищут возможности, чтобы обойти эти ключевые рамки.
Физики из США совместно с Чжу Линьсяо (Linxiao Zhu) из Университета штата Пенсильвания пронаблюдали сильную невзаимную термальную эмиссию и достигли разницы в 0,43 единицы между излучательной и поглощательной способностью. Для этого экспериментаторы разработали метаматериал, состоящий из пяти слоев арсенида индия-галлия (In0,53Ga0,47As) и легированный электронами. Физики выбрали это соединение, поскольку эффективная масса электронов в нем достаточно низка, что в свою очередь приводит к высокой циклотронной частоте в заданном магнитном поле. Движение электронов в материале сыграло решающую роль в эксперименте, поскольку при облучении тонких пленок метаматериала на частоте, близкой к частоте продольных фононов оптического спектра, в веществе возникают так называемые моды Берремана. Эти специфические моды также связаны с колебаниями объемного заряда внутри материала и позволяют управлять излучением и поглощением энергии при фотоэлектронном переизлучении.
Вначале исследователи измерили излучательную способность при комнатной температуре и нулевом магнитном поле. На спектрограмме ученые увидели пять пиков на длинах волн от 13 до 25 микрометров – каждый из пиков соответствовал отдельному слою метаматериала. После этого авторы работы приложили к образцу магнитное поле индукцией в 5 тесла при температуре 267 градусов. В результате излучательная способность стала асимметричной – физики увидели на спектре только четыре пика в диапазоне 13-23 микрометров. Изменяя угол падения лучей, экспериментаторы добились невзаимности в 0,43 единицы: максимальное значение ученые получили при 55 градусах, а при углах больше 65 невзаимность оставалась не меньше 0,4 единиц.
Авторы работы перенесли созданный метаматериал на подложку из золота и отметили, что это позволит интегрировать его в сложные устройства, где необходима невзаимность излучения — например, для излучательного охлаждения.
О том, как физики заставили механический метаматериал посчитать до десяти, мы писали ранее.