La legge di Kirchhoff sulla radiazione termica viene infranta dopo 165 anni

Energia

Redazione del sito web di Innovazione Tecnologica - 26/06/2025

a) Schema dell'emissione e dell'assorbimento non reciproci. (b) Immagine al microscopio elettronico a scansione della struttura multistrato. (c) Schema dell'esperimento. (d, e) Grafici di emissività. (f, g) Spettri reali di emissività e polarizzazione. [Immagine: Zhenong Zhang et al. - 10.48550/arXiv.2501.12947]

Infrangere la legge di Kirchhoff

Una "legge" della radiazione termica ritenuta valida da 165 anni è stata appena sfatata (in precedenza era stata leggermente distorta), e gli scienziati stanno festeggiando perché la scoperta apre la strada a tecnologie più efficienti per la raccolta di energia, il trasferimento di calore e il rilevamento a infrarossi.

La cosiddetta legge di Kirchhoff sulla radiazione termica è un concetto sviluppato dal fisico tedesco Gustav Kirchhoff [1824-1887] nel 1860, che afferma che l'efficienza di assorbimento e l'emissività di un materiale sono uguali a ciascuna lunghezza d'onda e angolo di incidenza.

In altre parole, la capacità di un materiale di assorbire la radiazione elettromagnetica – un'onda di energia sotto forma di luce solare o raggi X, ad esempio – a una data lunghezza d'onda e angolo deve essere uguale alla sua capacità di emettere radiazione alla stessa lunghezza d'onda e angolo. Questa è nota come relazione di reciprocità.

La legge di Kirchhoff ha iniziato a mostrare segni di cedimento due anni fa, quando un team del California Institute of Technology ha creato un materiale che non si comporta secondo essa.

Ma ora Zhenong Zhang e i colleghi della Pennsylvania State University hanno dimostrato una svolta radicale nella legge. Questa svolta più marcata significa che ora è possibile realizzare possibilità concrete che prima erano impraticabili.

Non reciprocità

La precedente dimostrazione di emissione e assorbimento non reciproci non raggiunge un contrasto elevato tra emissività e assorbenza, né su un'ampia gamma di lunghezze d'onda, entrambe condizioni necessarie per applicazioni pratiche basate su materiali non reciproci.

"La capacità di violare in modo significativo la legge di Kirchhoff non solo fornisce un modo radicalmente nuovo per controllare la radiazione termica, ma può anche migliorare radicalmente le applicazioni energetiche e di rilevamento", ha affermato Zhang. "Nel caso delle celle solari reciproche per la raccolta di energia solare , ad esempio, la cella solare deve emettere energia ottica verso il Sole, come richiesto dalla legge di Kirchhoff. Questa parte dell'energia che ritorna al Sole viene sprecata."

"Tuttavia, se potessimo avere emettitori non reciproci, potremmo indirizzare l'emissione in una direzione diversa. Quindi, potremmo installare un'altra cella solare per assorbire quella parte di energia, aumentando l'efficienza complessiva di conversione energetica. Una tale strategia è stata teoricamente suggerita per consentire la raccolta di energia solare entro i limiti dell'efficienza termodinamica", ha aggiunto il ricercatore.

La non reciprocità viene misurata in parametri adimensionali, il che significa che i confini del sistema non influenzano la misurazione risultante, ovvero la differenza tra ciò che è stato effettivamente assorbito e ciò che è stato effettivamente emesso. In un sistema realmente reciproco, il contrasto atteso tra emissività e assorbenza sarebbe nullo.

"Nel nostro lavoro, abbiamo osservato il contrasto più forte pari a 0,43, e si osserva anche un contrasto sostanziale in un'ampia gamma di lunghezze d'onda di 10 micrometri. La forte emissione non reciproca ottenuta indica un grande potenziale applicativo", ha affermato il professor Linxiao Zhu.

Applicazioni pratiche

L'emettitore non reciproco costruito dal team è costituito da una pellicola molto sottile, che può essere trasferita su altre superfici, il che lo differenzia dagli esperimenti precedenti, oltre a consentire l'integrazione di dispositivi.

Esistono cinque strati di materiali semiconduttori (InGaAs), ognuno con composizioni leggermente diverse, ma il team ritiene che non vi siano limitazioni intrinseche all'uso di altri materiali: le eterogiunzioni InGaAs sono ampiamente utilizzate nei dispositivi elettronici e fotonici.

"Il nostro materiale è stato coltivato con uno spessore totale di circa due micrometri, più sottile di un capello umano", ha affermato Alireza Dehaghi, membro del team. "Nel nostro lavoro, grazie al sistema di materiali scelto, abbiamo trasferito il film sottile in microscala su un altro substrato, il che significa che può essere trasferito a vari tipi di dispositivi per aumentare l'efficienza nella conversione energetica, nel trasferimento di calore e in altre applicazioni."

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