Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial, Universidade de Houston, Houston, TX, EUA
&bala; Física 18, 123
Uma estrutura recém-projetada exibe a maior diferença de emissividade-absortividade, uma propriedade que pode ser útil em dispositivos de colheita de energia e capim.
Figura 1: Normalmente, um objeto no equilíbrio térmico com seu ambiente emite e absorve a radiação térmica na mesma taxa (esquerda). Mas os pesquisadores desenvolveram um materials multicamada (à direita) que, quando exposto a um forte campo magnético (B), exibe maior emissividade do que a absorção.
Figura 1: Normalmente, um objeto no equilíbrio térmico com seu ambiente emite e absorve a radiação térmica na mesma taxa (esquerda). Mas os pesquisadores desenvolveram um materials multicamada (à direita) que, quando exposto a um forte campo magnético (B), exibe maior emissividade do que a absorção.
Objetos quentes brilham. Desde o calor de um fogão até o calor invisível que irradia do telhado de um edifício, a radiação térmica flui para fora. Mas também flui para dentro de maneira recíproca. Isso significa que, no equilíbrio térmico, a capacidade de um objeto de emitir luz termicamente em uma direção, descrita como emissividade, é igual à sua capacidade de absorver a mesma luz que vem da outra direção, conhecida como absorção. Mas e se essa regra pudesse ser violada?
Em um novo estudo, Zhenong Zhang e colegas da Universidade Estadual da Pensilvânia demonstram essa possibilidade emocionante (1). Os pesquisadores aplicam um campo magnético externo a um materials em camadas, criando um sistema que quebra a reciprocidade de Lorentz – uma simetria comum que relaciona entradas e saídas eletromagnéticas. Eles então mostram que esse sistema não recíproco exibe emissividade muito maior do que a absorção na mesma direção. A diferença observada entre emissividade e absorção é duas vezes a observada em experimentos anteriores, definindo assim um novo benchmark no campo. Esses resultados abrem caminho para futuras tecnologias, como diodos térmicos, motores de calor radiativo e camuflagem infravermelha.
A emissividade e a absorção são números sem dimensão entre 0 e 1, onde 0 corresponde a um refletor perfeito e 1 corresponde a um corpo negro perfeito. Lei de radiação térmica de Kirchhoff (2) afirma que, no equilíbrio térmico, a emissividade de um objeto é igual a sua absorção para qualquer comprimento de onda, direção e polarização, mas essa igualdade é apenas para sistemas que obedecem à reciprocidade de Lorentz. Na última década, estudos teóricos (3Assim, 4) demonstraram que, quando a reciprocidade é quebrada, a lei de Kirchhoff pode ser violada sem desafiar a segunda lei da termodinâmica. Essas previsões sugerem que, ao projetar cuidadosamente o ambiente óptico – utilizando materiais que interagem assimetricamente com a luz – um poderia construir emissores com maior emissividade do que a absorção em uma determinada direção sob condições de equilíbrio. Desde então, os pesquisadores propuseram métodos para obter propriedades radiativas térmicas não recímas usando efeitos magneto-ópticos, materiais não lineares, meios variáveis no tempo ou materiais topológicos.
Construindo em uma dessas propostas teóricas (5), meus colegas e eu conduzimos em 2023 a primeira demonstração experimental direta da violação da lei de Kirchhoff (6). Utilizamos um materials magneto-óptico, arseneto de índio (inAs), em uma estrutura de camada única. Um campo magnético de cerca de 1 Tesla (T) foi aplicado, desencadeando o movimento do ciclotron de elétrons em inas e uma quebra de reciprocidade de Lorentz. No entanto, a diferença resultante entre a emissividade e a absorção foi de 0,22 – um modesto efeito não recrocal – e a largura de banda foi limitada.
Zhang e colegas alcançaram um grau muito maior de assimetria graças a um campo magnético mais forte (aproximadamente 5 t) e uma estrutura fotônica cuidadosamente projetada (Fig. 1). O novo dispositivo consiste em uma estrutura composta por múltiplas camadas de arseneto de gálio de índio dopado, outro materials magneto-óptico, depositado em um substrato de ouro. Para semicondutores dopados, a permissividade (Epsilon) pode ir a zero em uma frequência infravermelha específica. Nesta condição “epsilon-near-zero”, uma ressonância fotônica chamada Berman Mode pode ser excitada, aumentando bastante as interações não recrocadas de luz leve. Aproveitando esse efeito, os pesquisadores variaram as concentrações de doping nas camadas, de modo que o doping aumentasse gradualmente com a profundidade, permitindo que uma ampla gama de modos de Berman fosse acessada. Uma estratégia de camadas semelhante foi empregada anteriormente, mas com o doping diminuindo com a profundidade (7).
A equipe empregou espectroscopia de emissão magnetotérmica resolvida por ângulo para medir a emissividade e a absorção de seu dispositivo em uma variedade de comprimentos de onda e ângulos. Sob um campo magnético aplicado de 5 t, o materials exibe uma diferença de emissividade -absortividade até 0,43 em uma ampla faixa de comprimentos de onda na banda do infravermelho médio (13-22 µm) e mantém esse desempenho em um amplo ângulo de emissão. O design da equipe supera a contraparte da camada reversa (7), confirmando a importância da engenharia como os modos de ressonância são organizados.
Figura 2: Uma aplicação para um emissor térmico não recíproco é colocá -lo acima de uma célula termofotavoltaica photo voltaic. Essa configuração pode ajudar a colher mais energia do sol canalizando a radiação térmica preferencialmente em uma direção.
Figura 2: Uma aplicação para um emissor térmico não recíproco é colocá -lo acima de uma célula termofotavoltaica photo voltaic. Essa configuração pode ajudar a colher mais energia do sol canalizando a radiação térmica preferencialmente em uma direção.
O desequilíbrio entre emissividade e absorção abre a porta para as tecnologias uma vez proibidas pela reciprocidade. Por exemplo, think about o sol ou outra fonte de corpo negro que fornece energia a uma célula photo voltaic ou outro dispositivo de colheita de energia. Em um sistema recíproco, a condutância térmica radiativa entre os dois objetos é simétrica, independentemente da direção do fluxo de calor. Esta troca equilibrada significa que os fótons “resíduos” do dispositivo enviando energia de volta à fonte. Mas o comportamento não-recíproco permite que a condutância seja maior ao longo de uma direção-correspondendo à direção de alta emissividade-do que no contrário, permitindo um diodo térmico radiativo. Essa condutância desequilibrada pode ser empregada, por exemplo, em uma camada intermediária que pode canalizar a energia com mais eficiência da fonte para o sistema de colheita de energia (8) (Figo. 2). Da mesma forma, o controle independente sobre a emissividade e a absorção pode ser usado para suprimir as assinaturas térmicas (para furtividade ou camuflagem) sem degradar a eficiência da absorção.
A aplicação de um campo magnético externo não é a única maneira de alcançar a radiação térmica não recíproca. Materiais como semimetais de Weyl magnéticos (9Assim, 10) possuem ordem magnética intrínseca decorrente de suas estruturas topológicas de banda e simetria de reversão do tempo quebrada. Esses materiais podem suportar a radiação térmica não recíproca sem o incômodo de aplicar um campo magnético externo. Modulação de tempo e sistemas não lineares (8) pode desencadear transições fotônicas assimétricas durante a absorção ou emissão, levando a um comportamento térmico fundamentalmente desequilibrado. No entanto, a pesquisa nessas direções permanece em grande parte teórica e é necessária mais validação experimental.
À medida que o campo amadurece, podemos não apenas construir melhores dispositivos de calor radiativa, mas também aprender a domar o fluxo de fótons com novos materiais para geração de energia e processamento de informações – uma fronteira emocionante na interseção da ciência do materials, fotônica e ciência térmica.
Bo Zhao et al.“Radiação térmica não-recícita habilitada para campo de axion nos semimetal Weyl”. Nano Lett.201923 (2020).
Y. Tsurimaki et al.“Grande absorção não recíproca e emissão de radiação nos semimetais do tipo I Weyl com a quebra de simetria de reversão do tempo”. Phys. Rev. b101165426 (2020).
Sobre o autor
Bo Zhao é professor assistente do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Universidade de Houston, onde ingressou na faculdade em 2021. Ele recebeu seu doutorado pelo Instituto de Tecnologia da Geórgia em 2016 e concluiu o treinamento de pós -doutorado na Universidade de Stanford. Sua pesquisa se concentra na radiação térmica e na fotônica, particularmente suas aplicações em sistemas de energia avançada. Seu trabalho foi reconhecido através de várias publicações altamente citadas e apresentadas. Ele recebeu o prêmio Raymond Viskanta Younger Scientist 2023 em transferência radiativa e o prêmio de carreira de 2025 da NSF.
Os pesquisadores demonstraram a desaceleração dependente da direção dos pulsos de microondas, com possíveis aplicações no processamento de sinais e computação quântica. Leia mais »
