Ένα ειδικά σχεδιασμένο μεταϋλικό κατάφερε να ανατρέψει την κανονικά ίση ισορροπία μεταξύ θερμικής απορρόφησης και εκπομπής, επιτρέποντας στο υλικό να εκπέμπει καλύτερα υπέρυθρο φως από ό,τι το απορροφά, σύμφωνα με τα νέα αποτελέσματα που δημοσιεύονται στο περιοδικό Physical Review Letters.
Με μια πρώτη ματιά, τα ευρήματα αυτά φαίνεται να παραβιάζουν τον νόμο του Kirchhoff για τη θερμική ακτινοβολία, ο οποίος ορίζει ότι -κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες- ένα αντικείμενο θα απορροφήσει υπέρυθρο φως (απορροφητικότητα) προς μια κατεύθυνση και θα το εκπέμψει (εκπεμπτικότητα) με ίση ένταση προς μια άλλη, ένα φαινόμενο γνωστό ως αμοιβαιότητα.
Την τελευταία δεκαετία, ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν αρχίσει να διερευνούν θεωρητικά σχέδια που, υπό τις κατάλληλες συνθήκες, θα μπορούσαν να επιτρέψουν στα υλικά να σπάσουν την αμοιβαιότητα. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ένα υλικό απορροφά και εκπέμπει υπέρυθρο φως (θερμότητα) είναι κεντρικής σημασίας για πολλούς τομείς της επιστήμης και της μηχανικής. Ο έλεγχος του τρόπου με τον οποίο ένα υλικό απορροφά και εκπέμπει υπέρυθρο φως θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για προόδους στη συλλογή ηλιακής ενέργειας, σε συσκευές θερμικής απόκρυψης και σε άλλες τεχνολογίες.
Τα πειράματα
Πρωτοποριακά πειράματα που διεξήγαγε μια ομάδα ερευνητών το 2023 έδωσαν δελεαστικά αποτελέσματα. Χρησιμοποιώντας ένα μόνο στρώμα του μαγνητο-οπτικού υλικού αρσενιούχο ίνδιο (InAs) και υποβάλλοντάς το σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο περίπου ενός tesla (ελαφρώς λιγότερο ισχυρό από ένα μηχάνημα μαγνητικής τομογραφίας αλλά περίπου 100.000 φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο της Γης), η ομάδα πέτυχε με επιτυχία τη μη ανταπόδοση. Αν και αυτό επιβεβαίωσε τις θεωρητικές προβλέψεις, το φαινόμενο ήταν ασθενές και λειτουργούσε μόνο υπό ένα πολύ στενό σύνολο συνθηκών.
Ο πρόσφατα αναφερόμενος σχεδιασμός, που αναπτύχθηκε από τον Zhenong Zhang και τους συναδέλφους του στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, κατάφερε να διπλασιάσει το φαινόμενο που είχε παρατηρηθεί προηγουμένως, καθιστώντας το την πρώτη αναφερόμενη παρατήρηση «ισχυρής» μη αμοιβαίας θερμικής εκπομπής.
Το νέο μεταϋλικό
Για να επιτευχθεί αυτό το αποτέλεσμα-ρεκόρ, η ομάδα του Zhang δημιούργησε ένα μεταϋλικό που αποτελείται από πέντε στρώματα πάχους 440 νανομέτρων από αρσενιούχο γάλλιο του Ινδίου (InGaAs) με ηλεκτρονική ντοπάρισμα. Η συγκέντρωση ντοπαρίσματος αυξανόταν όσο αυξανόταν το βάθος. Στη συνέχεια, τα στρώματα InGaAs μεταφέρθηκαν σε υπόστρωμα πυριτίου.
Το δείγμα μελετήθηκε στη συνέχεια με μια ειδικά σχεδιασμένη διάταξη φασματοσκοπίας μαγνητικής θερμικής εκπομπής με γωνία (ARMTES), η οποία θέρμανε το δείγμα στα 540 Kelvin (512 Fahrenheit) και το υπέβαλε σε μαγνητικό πεδίο 5 tesla.
Στη συνέχεια, ο Zhang και οι συνεργάτες του μέτρησαν τη μη ανταποδοτικότητα του υλικού, αποδεικνύοντας ότι παρουσίασε διπλάσια επίδραση από την επίδραση που είχε αναφερθεί προηγουμένως. Το φαινόμενο αυτό παρέμεινε σε ένα ευρύ φάσμα γωνιών και σε ένα ευρύ φάσμα υπέρυθρων μηκών κύματος (από 13 έως 23 μικρά).
Ο Zhang δηλώνει: «Το πείραμά μας για πρώτη φορά πραγματοποιεί ισχυρή μη ανταποδοτική εκπομπή, με μη ανταποδοτικότητα που φτάνει το 0,43, η οποία είναι πολύ υψηλότερη από τη μη ανταποδοτικότητα στη βιβλιογραφία».
Οι ερευνητές εικάζουν ότι η περαιτέρω πρόοδος σε αυτόν τον τομέα μπορεί να οδηγήσει σε ανακαλύψεις σε νέες κατηγορίες θερμικών διόδων και τρανζίστορ, σε βελτιωμένους θερμοφωτοβολταϊκούς σχεδιασμούς και σε άλλες τεχνολογίες διαχείρισης θερμότητας.
