Физици нарушиха закона на Кирхоф, без да нарушат нито един фундаментален принцип

Физици от САЩ преразгледаха обичайните представи за топлинното излъчване. За първи път те успяха да постигнат насочено нарушение на закона на Кирхоф с помощта на специално създаден метаматериал. Експериментът показа, че е възможно да се усилва топлината в една посока и в същото време почти да се елиминира нейното поглъщане – без да се противоречи на основните закони на природата, а чрез прецизен контрол на структурата на материала.

Резултатите разкриват нови възможности за контрол на инфрачервеното излъчване. Този подход би могъл значително да подобри ефективността на системите за слънчева енергия, термичните диоди, устройствата за термично прикритие и други технологии.

На пръв поглед подобен подход изглежда невъзможен. Законът на Кирхоф гласи, че всеки обект трябва да поглъща и излъчва топлина еднакво добре в инфрачервения диапазон, ако е в топлинно равновесие. Този принцип се счита за неизменен от почти 150 години.

Учените обаче отдавна обмислят как да заобиколят това ограничение. Един от начините е да се постигне нереципрочност: когато излъчването и поглъщането вече не са огледално симетрични. Този ефект дава възможност да се контролира посоката на топлинния поток, което е особено важно за много инженерни проблеми.

Първият експеримент, потвърждаващ тази идея е проведен през 2023 година. Тогава изследователите използват тънък слой от индиев арсенид (InAs) – магнитооптичен материал, който демонстрира необичайни свойства под въздействието на магнитно поле. Ефектът обаче се оказал изключително слаб и се проявявал само в тесен диапазон от условия.

Нов експеримент, ръководен от Женюн Жанг от Университета в Пенсилвания значително подобри резултата. За първи път бе възможно да се постигне силна нереципрочност на топлинното излъчване – нещо, което досега съществуваше само на теория.

Учените са създали многослоен метаматериал, чиито свойства се определят не само от химичния му състав, но и от неговата наноразмерна структура. Образецът се състои от пет тънки слоя от легиран индий-галий-арсенид (InGaAs), всеки с дебелина около 440 нанометра – 200 пъти по-малко от дебелината на човешки косъм. Концентрацията на примесите се увеличава от слой на слой, създавайки градиент на свойствата в материала. Готовата структура е поставена върху силициева подложка, за да се гарантира нейната стабилност.

За да провери резултата, екипът на Джан разработва уникален процес – термична емисионна спектроскопия на магнитното поле с отчитане на ъгъла. Пробата е нагрята до 540 келвина (около 267 градуса по Целзий) и е подложена на магнитно поле от 5 тесла – пет пъти по-силно от предишните експерименти.

Коефициентът достигнал стойност 0,43 – няколко пъти по-висок от получения преди това. Освен това ефектът се запазил в широк диапазон от дължини на вълните (от 13 до 23 микрона) и ъгли, което е важно за практическите приложения.

Една от ключовите области, в които този ефект ще бъде полезен е слънчевата енергия. При термофотоволтаичните системи е особено важно топлинното излъчване да се насочи точно към преобразувателя на енергия. Колкото по-малко са загубите, толкова по-висока е ефективността на системата.

Освен това такива материали могат да бъдат в основата на термични диоди и транзистори – устройства, които контролират топлинния поток по същия начин, по който електронните им аналози контролират електрическия ток.

Друг случай на употреба е създаването на топлинно прикритие. Метаматериалите могат да помогнат за скриването на обекти от термовизионни камери и инфрачервени сензори, като променят естеството на тяхното излъчване.

Авторите на работата подчертават: това е само първата стъпка. В бъдеще те планират да експериментират със състава на материалите, архитектурата на наноструктурите и параметрите на магнитното поле, за да засилят ефекта и евентуално да открият нови физични явления в тази област.