Дослідники виявили, що метаматеріал, зосереджений на шарах напівпровідника InGaAs, здатен випромінювати значно більше середньоінфрачервоного випромінювання, ніж він поглинає. Коли цей зразок нагрівали (близько 540 K) у магнітному полі силою 5 тесла, він продемонстрував рекордну нереверсивність на рівні 0.43 (приблизно вдвічі перевищуючи попередній рекорд). Іншими словами, він порушує закон Кірхгофа і змушує тепло текти в одному напрямку. Цей доказ сильної нереверсивної теплової емісії може сприяти створенню пристроїв, таких як односпрямовані теплові діоди, а також покращити технології, пов’язані з сонячно термопотоковою генерацією та управлінням теплом.
Згідно з опублікованим дослідженням, новий пристрій складається з п’яти надтонких шарів напівпровідника, відомого як арсенід галію індію, кожен з яких має товщину 440 нанометрів. Шари поступово легували більшою кількістю електронів у міру заглиблення та розміщені на кремнієвій основі. Дослідники нагрівали матеріал до близько 512°F і застосовували сильне магнітне поле потужністю 5 тесла. В таких умовах матеріал випромінював на 43% більше інфрачервоного світла в одному напрямку, ніж поглинав — це яскравий показник нереверсивності. Цей ефект був приблизно вдвічі сильнішим, ніж у попередніх дослідженнях, і спостерігався під різними кутами та в інфрачервоному діапазоні (від 13 до 23 мікронів).
Забезпечуючи односторонній потік тепла, метаматеріал зможе виконувати функцію термічного транзистора або діода. Він може покращити сонячну термопотокову генерацію, перенаправляючи відпрацьоване тепло до елементів для збору енергії та допомагати у контролюванні теплових процесів у сенсорах та електроніці. Це має потенційні наслідки для збору енергії, терморегуляції та нових термічних пристроїв.
Виклик термічній симетрії
Закон Кірхгофа про теплове випромінювання (1860) стверджує, що в умовах теплової рівноваги емісійність матеріалу дорівнює його абсорбтивності при кожній довжині хвилі та куті. Практично ця реверсивність означає, що поверхня, котра сильно випромінює інфрачервоне випромінювання, теж буде ефективно його поглинати.
Щоб порушити цю симетрію, потрібно зламати часову симетрію, наприклад, застосувавши магнітне поле до магнітооптичного матеріалу. Наприклад, у дослідженні 2023 року показали, що єдиний шар арсенід галію індію (InAs) у магнітному полі ~1 T може виробляти нереверсивне теплове випромінювання. Проте той ефект був надзвичайно слабким і діяв лише на специфічних довжинах хвиль і кутах. До сьогодні магнітооптичні проекти досягли лише незначних дисбалансів у випромінюванні та поглинанні при дуже обмежених умовах. Нове досягнення демонструє, що штучні матеріали можуть створювати односпрямовані теплові випромінювачі.