Учёные разработали устройство, способное преобразовать принципы закона Кирхгофа о тепловом излучении, изменив традиционное соотношение между коэффициентами поглощения и излучения объекта. Такой новаторский подход может усилить эффективность систем сбора энергии и повлиять на технологии маскировки.
При размещении объекта на солнце начинается его нагрев. Этот процесс связан с поглощением энергии солнечных лучей и преобразованием её в тепло. В то время как объекты (или люди) поглощают энергию (свет от солнца), они также излучают энергию (инфракрасное излучение, или тепло).
Связь между способностью объекта поглощать и излучать энергию в виде электромагнитного излучения — его коэффициентами поглощения и излучения, — долгое время объяснялась законом Кирхгофа о тепловом излучении. Предложенный Густавом Кирхгофом в 1860 году, закон утверждает равенство коэффициентов поглощения и излучения на каждой длине волны и под каждым углом падения.
Новое устройство, разработанное в лаборатории Гарри Атватера, профессора прикладной физики и материаловедения, преобразует эту обычную тесную связь между коэффициентами поглощения и излучения объекта. Изобретение может играть важную роль в системах устойчивого сбора энергии и разработке определённых типов маскировки.
«Закон Кирхгофа соблюдается более 150 лет, и хотя ранее были предложены теоретические способы его нарушения, первое экспериментальное доказательство того, что данный закон можно нарушить, представлено только сейчас», — говорит Атватер.
Аспирант по электротехнике Комрон Шайеган, ведущий автор нового исследования, дополнительно поясняет:
«Равенство, диктуемое законом Кирхгофа, было руководящим принципом в проектировании устройств, которые поглощают и излучают энергию в виде излучения. Однако недавний сдвиг в проектировании эмиттеров / поглотителей позволяет переходить к более сложному соотношению между коэффициентами излучения и поглощения объекта.
Одной из причин для разделения этих двух функций являются системы сбора энергии. Например, если объект, собирающий энергию, вроде фотовольтаической панели, возвращает часть поглощенной энергии обратно к источнику энергии (Солнце) в виде тепла, то эта энергия теряется для человеческих целей. Если бы фотовольтаическая панель или другой объект, собирающий энергию, направлял поглощенное излучение не к источнику, а к другому объекту, собирающему энергию, можно было бы достичь более высокой эффективности преобразования энергии.
Наше исследование демонстрирует возможность нарушения равенства закона Кирхгофа о тепловом излучении с помощью устройства, помещенного в умеренное магнитное поле. Устройство сочетает в себе материал с сильной магнитной реакцией и структуру, которая усиливает поглощение и излучение в инфракрасных длинах волн. Особенно интересно, что эффект можно наблюдать, просто нагрев устройство выше комнатной температуры и сравнивая коэффициенты излучения и поглощения».
Статья, описывающая работу, «Прямое наблюдение за нарушением закона Кирхгофа о тепловом излучении», опубликована в журнале «Nature Photonics» 24 июля.
