La ley de radiación térmica de Kirchhoff se rompe después de 165 años
Energía
Equipo Editorial del Sitio Web de Innovación Tecnológica - 26/06/2025
a) Esquema de la emisión y absorción no recíprocas. (b) Imagen de la estructura multicapa obtenida con microscopio electrónico de barrido. (c) Esquema del experimento. (d, e) Gráficos de emisividad. (f, g) Espectros de emisividad y polarización reales. [Imagen: Zhenong Zhang et al. - 10.48550/arXiv.2501.12947]
Rompiendo la ley de Kirchhoff
Una "ley" de radiación térmica que se ha considerado verdadera durante 165 años acaba de ser desmentida (antes había sido ligeramente tergiversada), lo que los científicos están celebrando porque el descubrimiento prepara el terreno para tecnologías más eficientes para la recolección de energía, la transferencia de calor y la detección infrarroja.
La llamada ley de Kirchhoff de la radiación térmica es un concepto desarrollado por el físico alemán Gustav Kirchhoff [1824-1887] en 1860, que establece que las eficiencias de absorción y la emisividad de un material son iguales en cada longitud de onda y ángulo de incidencia.
En otras palabras, la capacidad de un material para absorber radiación electromagnética (una onda de energía en forma de luz solar o rayos X, por ejemplo) en una longitud de onda y un ángulo determinados debe ser igual a su capacidad para emitir radiación en la misma longitud de onda y ángulo. Esto se conoce como relación recíproca.
La ley de Kirchhoff comenzó a fallar hace dos años cuando un equipo del Instituto de Tecnología de California creó un material que no se comporta de acuerdo con ella.
Pero ahora, Zhenong Zhang y sus colegas de la Universidad Estatal de Pensilvania han demostrado una drástica ruptura con la ley. Esta ruptura más drástica significa que ahora es posible lograr posibilidades reales que antes eran inviables.
No reciprocidad
La demostración anterior de emisión y absorción no recíprocas no logra un alto contraste entre emisividad y absortividad, ni en un amplio rango de longitudes de onda, ambas condiciones necesarias para aplicaciones prácticas basadas en materiales no recíprocos.
«La capacidad de violar considerablemente la ley de Kirchhoff no solo ofrece una forma radicalmente nueva de controlar la radiación térmica, sino que también puede mejorar significativamente las aplicaciones energéticas y de detección», afirmó Zhang. «En el caso de las células solares recíprocas para la captación de energía solar , por ejemplo, la célula solar necesita devolver energía óptica al Sol, según lo exige la ley de Kirchhoff. Esta parte de la energía que regresa al Sol se desperdicia».
Sin embargo, si disponemos de emisores no recíprocos, podemos dirigir la emisión en una dirección diferente. Entonces, podríamos instalar otra célula solar allí para absorber esa parte de la energía, aumentando así la eficiencia general de conversión energética. Esta estrategia se ha sugerido teóricamente para permitir la captación de energía solar dentro de los límites de la eficiencia termodinámica, añadió el investigador.
La no reciprocidad se mide con parámetros adimensionales, lo que significa que los límites del sistema no afectan la medición resultante (la diferencia entre lo realmente absorbido y lo realmente emitido). En un sistema verdaderamente recíproco, el contraste esperado entre emisividad y absortividad sería cero.
"En nuestro trabajo, observamos el contraste más fuerte, de 0,43, y también hay un contraste sustancial en un amplio rango de longitud de onda de 10 micrómetros. La fuerte emisión no recíproca obtenida apunta a un gran potencial de aplicaciones", afirmó el profesor Linxiao Zhu.
Aplicaciones prácticas
El emisor no recíproco construido por el equipo consiste en una película muy delgada, que puede transferirse a otras superficies, lo que lo diferencia de experimentos anteriores, además de permitir la integración de dispositivos.
Hay cinco capas de materiales semiconductores (InGaAs), cada una con composiciones ligeramente diferentes, pero el equipo cree que no hay limitaciones intrínsecas para el uso de otros materiales: las heterojunciones InGaAs se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos y fotónicos.
"Nuestro material se cultiva con un grosor total de aproximadamente dos micrómetros, más delgado que un cabello humano", explicó Alireza Dehaghi, miembro del equipo. "En nuestro trabajo, gracias al sistema de materiales elegido, transferimos la película delgada a microescala a otro sustrato, lo que permite su transferencia a diversos tipos de dispositivos para aumentar la eficiencia en la conversión de energía, la transferencia de calor y otras aplicaciones".
Artículo: Observación de una fuerte emisión térmica no recíproca
Autores: Zhenong Zhang, Alireza Kalantari Dehaghi, Pramit Ghosh, Linxiao Zhu. Revista: Physical Review Letters. DOI: 10.48550/arXiv.2501.12947.
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