Uusi materiaali emittoi paremmin kuin se absorboi

Zhenong Zhang ja hänen kollegansa Pennsylvanian osavaltionyliopistosta ovat kehittäneet uudenlaisen materiaalirakenteen, jolla on suurin koskaan mitattu emissio- ja absorptiokyvyn ero, ominaisuus, joka voisi osoittautua hyödylliseksi energiankeruu- ja peittämislaitteissa.

Tutkijat kohdistavat ulkoisen magneettikentän kerrostettuun materiaaliin luoden järjestelmän, joka rikkoo Lorentzin vastavuoroisuuden – yleisen symmetrian, joka yhdistää sähkömagneettiset tulot ja lähdöt. Sitten he osoittavat, että tällä ei-vastavuoroisella järjestelmällä on paljon suurempi emissiivisyys kuin absorptiokyky samassa suunnassa.

Havaittu ero on kaksinkertainen aiemmissa kokeissa havaittuun verrattuna, mikä asettaa uuden vertailukohdan kentällä. Nämä tulokset tasoittavat tietä tulevaisuuden teknologioille, kuten lämpödiodeille, säteilylämpömoottoreille ja infrapunanaamioinnille.

Emissio- ja absorptiokyvyn välinen epätasapaino avaa oven teknologioille, jotka aiemmin olivat vastavuoroisuuden kieltämiä. Kuvittele esimerkiksi Aurinko tai jokin muu mustan kappaleen lähde, joka toimittaa energiaa aurinkokennoon tai muuhun energiaa keräävään laitteeseen. Vastavuoroisessa järjestelmässä kahden kappaleen välinen säteilyn lämmönjohtavuus on symmetrinen riippumatta lämmönvirtauksen suunnasta.

Tämä tasapainoinen vaihto tarkoittaa, että laite "tuhlaa" fotoneja lähettämällä energiaa takaisin lähteeseen. Mutta ei-vastavuoroinen käyttäytyminen sallii johtavuuden olla korkeampi yhteen suuntaan – joka vastaa korkean emissiivisyyden suuntaa – kuin vastakkaiseen suuntaan, mikä mahdollistaa säteilytermisen lämpödiodin.

Tällaista epätasapainoista johtavuutta voidaan käyttää esimerkiksi välikerroksessa, joka voi kanavoida energiaa tehokkaammin lähteestä energiaa keräävään järjestelmään.

Samoin emissiivisyyden ja absorptiokyvyn erillistä hallintaa voitaisiin käyttää lämpösignaalien vaimentamiseen (häiveominaisuuksia tai naamiointia varten) ilman, että absorptiotehokkuus heikkenee.

Ulkoisen magneettikentän käyttäminen ei ole ainoa tapa saavuttaa ei-vastavuoroinen lämpösäteily. Materiaaleilla, kuten magneettisilla Weyl-puolimetalleilla, on sisäinen magneettinen järjestys, joka johtuu niiden topologisista vyöhykerakenteista ja rikkoutuneesta aikakäännössymmetriasta.

Nämä materiaalit voivat tukea ei-vastavuoroista lämpösäteilyä ilman ulkoisen magneettikentän käyttämisen vaivaa. Aikamodulaatio ja epälineaariset järjestelmät voivat laukaista epäsymmetrisiä fotonisia siirtymiä absorption tai emission aikana, mikä johtaa perustavanlaatuisesti epätasapainoiseen lämpökäyttäytymiseen. Tutkimus näillä aloilla on kuitenkin edelleen pitkälti teoreettista, ja tarvitaan lisää kokeellista validointia.

Alan kypsyessä voimme paitsi rakentaa parempia säteilylämpölaitteita, myös oppia kesyttämään fotonien virtausta uusilla materiaaleilla energiantuotantoon ja tiedonkäsittelyyn – jännittävä rajaseutu materiaalitieteen, fotoniikan ja lämpötieteen risteyskohdassa.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttitietokoneella, tekoälyllä vai paperilla ja kynällä

Pienenergian keruuta grafeenin värähtelystä

Lämpöä voidaan käyttää laskentaan